面向网络仪器的测控HUB及其关键技术研究

论文摘要

传统仪器面向广域测控应用时,存在体系结构不开放以及缺少测量信息完整性(时间一致性、空间一致性以及溯源一致性)支持等问题。作者所在研究组基于“测量信息完整性”的观点和“开放体系结构”的思路,提出了“网络仪器”的解决方案,以实现仪器资源的开放互联和信息资源的广域共享。由于现有网络交换技术存在数据交换时延不确定的问题,在构建网络仪器时,为了满足探头资源(智能传感器和执行器)的网络接入和时间确定性数据交换的需求,本文引入“测控HUB”这一设备单元,并将其定义为具备时间统一和时间确定性数据交换功能的网络仪器的边界设备。论文以“网络仪器”为背景,围绕“时间确定性”这一核心问题,对测控HUB的结构组成、时间统一、时间确定性数据交换、以及测控HUB的设计实现与性能测试等问题进行了研究,论文主要工作如下:1、从网络仪器需求的角度,阐述了测控HUB的概念与特征,给出了时间确定性数据交换模型;基于网络仪器的体系结构框架以及测控HUB的概念,提出了测控HUB的完整构建方案,对测控HUB及其组成要素(外部端口、内部链路和功能单元)的结构进行了设计。2、从基准时间接入、时间测量和时间传递三个方面对测控HUB中的时间统一技术展开研究。(1)针对多基准时间信号的可信判别问题,提出一种以事件时刻精确测量为基础的通用可信判别方法,解决了现有方法不能同时对周期和非周期时间信号进行可信判别的问题;(2)针对基准时间信号到达等事件发生时刻的精确测量要求,设计了基于统一时间的事件时刻精确测量方法,实现了具有延迟时间自校功能和连续实时测量能力的事件时刻精确测量电路(已申请国家发明专利);(3)针对目前采用“时间同步”策略的时间传递方法存在时间校正误差的问题,提出一种基于“时钟交联”策略的时间传递方法,避免了时间校正环节,从而消除了时间校正的不确定误差,提高了时间传递精度。3、针对测控HUB时间确定性数据交换的需求,在对常规数据交换技术所存在的交换时延不确定问题分析的基础上,提出一种基于时间压力的时间确定性数据交换策略及其最大压力优先(LPQF)调度算法,深入研究了LPQF调度算法的基本原理、数学模型和实现方法,并采用网络微积分理论对LPQF调度算法进行了分析;设计了仿真软件对LPQF调度算法的性能进行验证,结果表明该调度算法相对于现有交换设备的调度算法能够有效保证数据包交换时延的确定性(“基于时间压力的时间确定性数据交换方法及交换装置”已申请国家发明专利)。4、结合卫星导航用户设备测试系统的项目需求,设计实现了测控HUB原型系统;针对测控HUB的性能测试问题,归纳了测控HUB的性能指标系列,并设计了各项性能指标的测试方法;开发了基于多DSP互联的测控HUB性能测试平台,并基于该平台对测控HUB原型系统的性能进行了评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号与缩略语
• 第一章 绪论
• 1.1 网络仪器概述
• 1.1.1 开放体系结构
• 1.1.2 统一时间支持体系
• 1.1.3 时间确定性问题
• 1.2 测控HUB 及其关键技术
• 1.2.1 基本概念与特征
• 1.2.2 数据交换模型
• 1.2.3 关键技术分析
• 1.3 相关技术研究现状分析
• 1.3.1 网络QoS 技术研究现状
• 1.3.2 时间同步技术研究现状
• 1.3.3 数据交换技术研究现状
• 1.4 论文研究主题与内容
• 第二章 测控HUB 的结构组成及其完整构建方案
• 2.1 引言
• 2.2 测控HUB 的结构组成
• 2.3 测控HUB 的功能分析
• 2.3.1 时间统一功能
• 2.3.2 接入控制功能
• 2.4 测控HUB 的完整构建方案
• 2.4.1 逻辑链路设计
• 2.4.2 外部端口设计
• 2.4.3 内部单元设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 测控HUB 中的时间统一技术
• 3.1 引言
• 3.2 时间统一技术分析
• 3.3 基于事件时刻精确测量的可信判别方法
• 3.3.1 现有可信判别方法的局限性
• 3.3.2 多基准时间信号的可信判别模型
• 3.3.3 多基准时间信号的可信判别方法的设计
• 3.3.4 可信判别方法的实验设计与结果分析
• 3.4 基于统一时间的事件时刻精确测量方法
• 3.4.1 电子计数法的测量原理与误差分析
• 3.4.2 延迟线法的测量原理与误差分析
• 3.4.3 事件时刻精确测量方法的设计
• 3.5 基于时钟交联的时间传递方法
• 3.5.1 现有网络时间传递方法分析
• 3.5.2 时钟交联的原理分析
• 3.5.3 频率偏差估计与修正
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于时间压力的时间确定性数据交换技术
• 4.1 引言
• 4.2 基于时间压力交换的优化问题及其求解方法
• 4.2.1 基于时间压力的数据交换策略
• 4.2.2 数据交换的优化模型与求解方法
• 4.3 最大压力优先调度算法的设计与分析
• 4.3.1 最大压力优先调度算法设计
• 4.3.2 最大压力优先调度算法分析
• 4.4 最大压力优先调度算法的仿真与验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 测控HUB 的设计与应用
• 5.1 引言
• 5.2 需求分析
• 5.3 设计实现
• 5.3.1 总体方案设计
• 5.3.2 主要电路实现
• 5.3.3 数据交换流程
• 5.4 应用效果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 测控HUB 的性能指标与测试方法
• 6.1 引言
• 6.2 测控HUB 的性能指标
• 6.2.1 时间同步性能指标
• 6.2.2 数据交换性能指标
• 6.3 性能测试方法设计
• 6.3.1 时间同步性能测试方法
• 6.3.2 数据交换性能测试方法
• 6.4 性能测试与结果分析
• 6.4.1 测试平台构建
• 6.4.2 性能测试与分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献表
• 作者在学期间取得的学术成果