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基于DevieNet总线的嵌入式控制器双机热备系统

作　者: 刘永胜
导　师: 韩卫光
学　校: 中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所）
专　业: 计算机系统结构
关键词: 双机热备 DeviceNet 嵌入式控制器同步心跳
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 65次
引　用: 1次
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内容摘要

DeviceNet现场总线是1994年由罗克韦尔公司提出的基于CAN总线的设备级网络规范,能够为工业底层的现场设备提供可靠的网络连接和通信,在工业控制领域中得到了广泛应用。控制器作为网络控制系统的核心,面对恶劣的工业现场环境,其可靠性直接关系到整个控制系统的连续稳定运行。为了提高控制器的可靠性,很多厂商都在开发基于现场总线的双机热备系统,而且现在基于DeviceNet总线的PLC产品也大都提供双机热备功能,如罗克韦尔的FlexLogix系统就提供硬件冗余的双机热备功能。课题是在前期开发的嵌入式控制器的基础上,通过添加双机热备软件和双机间的心跳通信,为基于DeviceNet现场总线的嵌入式控制器构建一个双机热备系统。论文中先介绍了该控制器双机热备系统的工作原理,并详细阐述了双机系统的热备份策略;其次就双机热备中的身份识别、备用机切入、双机扫描周期的同步和故障机切出做了详细说明,还对热备份软件进行了任务划分,给出了各任务的协同关系;最后给出了双机间心跳通信协议的具体设计。根据对控制器双机热备系统的关键性能要求,在实验平台上编码就设计方案进行了模拟实验,对双机系统启动时的身份选择,双机扫描周期同步,备用机接替工作机和故障机修复后切入这些关键性能进行了测试。实验表明,整个设计方案是可行的。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-10
  1.1 DeviceNet 技术的研究与发展现状  8
  1.2 课题研究的意义和主要内容  8-9
  1.3 论文的组织结构  9-10
第二章课题技术分析  10-25
  2.1 CAN 总线  10-13
    2.1.1 CAN 总线的分层结构  10-11
    2.1.2 CAN 总线的帧类型  11-13
    2.1.3 CAN 总线报文传送  13
  2.2 DeviceNet 现场总线  13-20
    2.2.1 DeviceNet 的通信模式  15
    2.2.2 DeviceNet 与CAN 的关系  15-16
    2.2.3 DeviceNet 的对象模型  16-19
    2.2.4 DeviceNet 中的连接及报文传送  19-20
  2.3 ARM 技术  20-23
    2.3.1 ARM 技术简介  20-21
    2.3.2 基于ARM 核的SoC  21-23
  2.4 μC/OS-II 操作系统  23-24
    2.4.1 μC/OS-II 操作系统简介  23
    2.4.2 μC/OS-II 操作系统内核的结构  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章双机系统组成及双机热备策略  25-36
  3.1 双机冗余热备系统  25-26
    3.1.1 基于比较的双机热备系统  25
    3.1.2 基于主从模式的双机热备系统  25-26
  3.2 双机工作方式的选择  26
  3.3 双机系统组成  26-27
  3.4 双机热备策略  27-31
    3.4.1 双机输入和输出映像区的同步更新  27-28
    3.4.2 备用机的控制策略  28
    3.4.3 双机间的心跳通信  28
    3.4.4 双机间的同步  28-31
  3.5 故障检测  31-34
    3.5.1 CPU 自检测  31
    3.5.2 内存自检测  31-32
    3.5.3 I/O 自检测  32
    3.5.4 心跳检测  32-33
    3.5.5 综合故障检测措施  33-34
  3.6 双机间的切换逻辑  34-35
  3.7 本章小结  35-36
第四章双机热备软件的设计  36-44
  4.1 双机热备系统中的状态转换  36
  4.2 工作机/备用机身份选择  36-38
  4.3 备用机切入  38-40
  4.4 双机扫描周期同步  40-41
  4.5 故障机的切出  41-42
    4.5.1 工作机的切出  41-42
    4.5.2 备用机的切出  42
  4.6 双机热备软件的任务划分  42-43
  4.7 本章小结  43-44
第五章双机间心跳通信的设计  44-51
  5.1 心跳通信的设计原则  44-46
    5.1.1 心跳通信方式  44-45
    5.1.2 心跳检测周期  45-46
    5.1.3 心跳报文的传输  46
  5.2 心跳通信的设计  46-50
    5.2.1 UART 接口  46-48
    5.2.2 心跳通信协议  48-49
    5.2.3 心跳通信的工作过程  49-50
  5.4 本章小结  50-51
第六章实验测试  51-55
  6.1 实验测试环境  51-52
  6.2 双机热备系统的实验测试  52-54
    6.2.1 双机启动时的身份选择  53
    6.2.2 双机扫描周期同步  53-54
    6.2.3 备用机接替工作机  54
    6.2.4 故障机恢复后切入  54
  6.3 本章小结  54-55
结束语  55-56
参考文献  56-59
发表文章  59-60
致谢  60

基于DevieNet总线的嵌入式控制器双机热备系统

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