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基于单片机及智能优化算法实现CPS通信的研究

作 者: 付佳新
导 师: 于丰
学 校: 沈阳建筑大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 信息物理融合系统 通信 单片机 实时性 拥塞控制 遗传算法
分类号: TP393.06
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 10次
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内容摘要


当今随着互联网事业的快速发展,人们对通信服务质量的要求在不断地提高,这恰恰与越来越多的终端设备联入到互联网的实际情况是相违背的。而信息物理融合系统CPS(Cyber Phys i cal System)这一理论思想的出现,更加大了提高通信实时性、合理性以及公平性方面的要求。在现阶段中,实现从现场数据采集到网络的通信控制主要由现场总线技术部分、控制器与以太网控制器的连接部分和网络通信协议的实现部分等几个主要问题组成。而现有的远程系统,尤其是涉及到现场工业控制的系统中,大部分的控制过程都是通过由现场总线的统一连接之后,然后再接入到局部的大型计算机控制中心来进行局域网的网络控制的。而在CPS中,要求被接入到互联网当中的所有设备都能够进行自身的功能控制或是辅助其它设备的控制,因此这样的系统全部都应用大型计算机来控制是不经济不现实的,所以利用现有简单的单片机系统来完成相应的控制,是目前一个实现CPS网络基本节点的较为实际的方式。当然要想利用单片机系统完成完成采集信息、通信传输再到完全的自控或者是辅助其他设备的控制还有很多问题需要解决,其中在提高通信服务质量的问题主要有以下两方面。传统的提高单片机系统的通信速率问题的方式主要依靠改进控制器的软件功能来实现的,在硬件条件一定的情况下,尽依靠增加软件功能势必会使系统的通信传输滞后;而在IP地址缺乏的网络通信环境中,通常是通过改善传输层中TCP协议的拥塞策略方法来解决通信中拥塞状况的。本文的重点研究内容就是针对以上两个网络通信环节中的问题展开的。首先能够在有限单片机硬件资源的环境里,通过增加较小的硬件成本,即利用其他经济控制器扩展出另一种总线功能来反馈出RS-485总线上的通信信息,从而根据反馈信息来解决RS-485总线半双工的特点所带来的通信问题,提高整个系统的实时性。在此基础上,软件方面在TCP/IP协议的拥塞控制中,通过以原有一些经典拥塞控制算法的优点为基础,加进智能优化算法中的遗传算法思想,来最终完善网络通信中的拥塞控制功能,从而改善通信的拥塞问题,达到信息传输的公平合理。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章 绪论  12-16
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 研究现状  13-14
    1.2.1 问题的提出与发展  13
    1.2.2 国内研究现状  13
    1.2.3 国外研究现状  13-14
  1.3 应用前景  14
  1.4 本文主要研究内容及结构安排  14-16
第二章 实现CPS网络通信的相关研究  16-32
  2.1 基本概念  16
  2.2 嵌入式WEB服务器  16-18
    2.2.1 嵌入式WEB服务器的概述  16-17
    2.2.2 实现嵌入式WEB服务器的几种方案  17-18
  2.3 现场总线技术  18-21
    2.3.1 现场总线技术的概述  19
    2.3.2 现场总线技术的特点  19-20
    2.3.3 现场总线的类型  20-21
  2.4 网络通信协议  21-30
    2.4.1 网络通信协议的基本概念  21-22
    2.4.2 网络通信协议的层次划分  22-23
    2.4.3 网络接口层  23-25
    2.4.4 网络层  25-27
    2.4.5 传输层  27-28
    2.4.6 应用层  28-30
  2.5 远程控制技术  30
  2.6 本章小结  30-32
第三章 CPS网络节点的硬件设计  32-42
  3.1 硬件芯片的简介  32-36
    3.1.1 主控制器ATmega128单片机的主要性能  32-33
    3.1.2 从控制器AT89S52单片机的主要性能  33-34
    3.1.3 以太网控制器RTL8019AS的主要性能  34-36
    3.1.4 其它硬件芯片的主要性能  36
  3.2 网络节点硬件电路的设计  36-40
    3.2.1 总体设计架构  36-37
    3.2.2 RS-485总线的硬件设计  37-38
    3.2.3 1-Wire总线(单总线)的硬件设计  38
    3.2.4 主从控制器的连接设计  38-39
    3.2.5 主控制器与以太网控制器的电路设计  39-40
  3.3 本章小结  40-42
第四章 CPS网络节点的软件设计  42-50
  4.1 现场总线部分的软件实现  42-43
  4.2 传统控制系统与互联网的连接模式  43-44
  4.3 CPS通信模式的基本构架  44-45
  4.4 CPS网络节点中实现的各层协议  45-49
    4.4.1 ARP协议的实现流程  45-47
    4.4.2 IP协议的实现流程  47
    4.4.3 ICMP协议的实现流程  47-48
    4.4.4 TCP协议的实现流程  48-49
    4.4.5 HTTP协议的实现流程  49
  4.5 本章小结  49-50
第五章 CPS网络通信中的拥塞控制方法  50-62
  5.1 拥塞控制的一般原理  50-51
  5.2 一些常见的拥塞控制算法  51-54
    5.2.1 漏桶算法  51-52
    5.2.2 令牌桶算法  52-53
    5.2.3 尾部丢弃算法TD-FIFO  53
    5.2.4 随机提前检测算法RED  53-54
    5.2.5 基于轮询策略的加权公平队列算法WFQ  54
  5.3 遗传算法的基本理论  54-56
    5.3.1 遗传算法的基本描述  54
    5.3.2 遗传算法的数学模型  54-56
    5.3.3 遗传算法的基本流程  56
  5.4 基于队列策略和遗传算法的分类调控拥塞控制方法  56-59
    5.4.1 算法的基本思想  56-57
    5.4.2 各分类队列缓存区中的算法  57-58
    5.4.3 全局缓存区中的算法  58-59
  5.5 系统仿真  59-61
  5.6 本章小结  61-62
第六章 结论  62-64
  6.1 结论  62
  6.2 展望  62-64
参考文献  64-68
作者简介  68
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  68-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 计算机网络 > 一般性问题 > 计算机网络测试、运行
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