基于嵌入式技术的低成本控制网络

论文摘要

随着嵌入式芯片成本和通讯费用的降低,分布式嵌入式体系结构的系统在工业控制中应用日益普遍。基于嵌入式的控制网络具有很低的硬件成本,并且具有安装方便,灵活的特性。具有巨大的应用需求。但是这类系统必须在嵌入式资源受限的情况下,实现复杂的网络管理和控制。系统的软件开困难,造成系统拥有成本较高。针对这个问题,本文从理论,设计和工程实验角度进行了深入了研究,提出了基于数据驱动设计模式的分布式嵌入式中间件解决方案。解决方案综合虑了嵌入式系统和分布式系统的特点,综合考虑了分布式嵌入式系统设计中的协议规格,内存利用,中断处理响应速度,安装维护便宜性等诸多方面,给出了适用于嵌入式平台的一个完整解决方案。不同于传统的面向对像的结构,这种结构在安装上更加灵活。通过本文中讨论的许多设计,可以在低成本的嵌入式平台上实现高性能复杂控制。本文提出的数据驱动分布式中间件解决方案将数据驱动设计理念引入到了分布式嵌入式系统设计,提出了离线编辑和实时运行引擎相结合的二元结构。并在协议和通讯的设计中引入了可扩展数据结构以及自动化工具的设计思想。本文的建立了分布式系统控制的理论模型,模型基于现代数学思想,结合现代控制理论推导而出,适用范围广。同时建立了嵌入式系统的成本分析的数学模型,建立了量化评定系统设计的方法。在中间件的协议设计中,协议的设计同自动化工具实现难度被统一考虑。本文讨论了传输,会话,表达层的三层结构。基于这种更好的分离结构,中间件中设计了自动协议编统器。协议编译器是提高系统开发效率的有效工具。本文设计了一种动态的嵌入式控制脚本语言XSC。为了在分布式嵌入式平台上实现这种语言,脚本中采取了许多特殊的设计。如堆栈机结构的虚拟机,中间语言指令,多编编译以及数据预处理等特性。实现了在嵌入式平台上的控制逻辑迁移。在嵌入式平台的运行引擎的设计上,设计采取了许多优化的方法来提高系统的安全性和响应速度。本文将讨论内存管理的方法以及任务分配以及调度的方法。事件内存的循环利用方法,脚本系统内存换页方法,报文句柄结构的内存管理系统。为了实际测试中间件,研究使用中间件开发了一套路灯监控系统。本文对应用案例进行了细致的研究,重点分析系统的开发成本,内存用量以及响应速度。通过验证中间件的性能和效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 相关研究成果
• 1.2.1 数据驱动设计
• 1.2.2 嵌入式软件架构
• 1.2.3 分布式系统研究
• 1.2.4 分布式嵌入式系统
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 分布式嵌入式系统分析
• 2.1 概述
• 2.2 系统模型
• 2.2.1 设计空间构造
• 2.2.2 设计成本评价函数
• 2.2.3 嵌入式系统设计成本特性
• 2.3 正交控制投影比较分析
• 2.3.1 正交投影映射
• 2.3.2 单状态投影
• 2.3.3 全状态投影
• 2.3.4 全控制投影
• 2.3.5 控制投影的问题
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统设计
• 3.1 概述
• 3.2 数据驱动中间件架构
• 3.2.1 数据驱动结构
• 3.2.2 软件工程的益处
• 3.3 协议栈设计
• 3.3.1 传输层
• 3.3.2 应用层
• 3.3.3 会话层
• 3.4 脚本系统设计
• 3.4.1 设计概述
• 3.4.2 数据类型
• 3.4.3 控制流
• 3.4.4 资源安全方面
• 3.4.5 通讯机制
• 3.4.6 基他功能
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统实现
• 4.1 概述
• 4.1.1 编缉器的开发原则
• 4.1.2 引擎开发原则
• 4.1.3 数据预处理
• 4.1.4 通讯组件
• 4.2 协议编译器
• 4.2.1 RPC原理
• 4.2.2 输入格式
• 4.2.3 代码发射
• 4.3 脚本编译器
• 4.3.1 脚本系统结构
• 4.3.2 中间语言
• 4.3.3 脚本系统的文件格式
• 4.3.4 脚本编译器设计
• 4.3.5 脚本分析器的问题
• 4.4 系统数据引擎的实现
• 4.4.1 系统的规格和基本参数
• 4.4.2 线程任务分配
• 4.4.3 通讯组件部分
• 4.4.4 资源管理
• 4.4.5 虚拟机
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统应用测试
• 5.1 概述
• 5.2 测试系统参数
• 5.2.1 系统应用协议
• 5.2.2 控制中心
• 5.2.3 路段控制器
• 5.2.4 节点控制器
• 5.3 系统性能
• 5.3.1 系统内存分布
• 5.3.2 系统响应时间
• 5.4 开发成本分析
• 5.4.1 应用开发成本分析
• 5.4.2 中间件的开发成本
• 5.4.3 开发成本分析总结
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢