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以太网列车的网络实时性改性方法研究

作　者: 寸天睿
导　师: 彭军
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 列车通信网工业以太网实时性时钟同步队列调度
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在列车中引入时分复用通信方式的工业以太网可以避免网络中多节点数据发送冲突,克服传统现场总线式列车通信网传输速度低、组网拓扑结构单一和设计使用成本较高等问题。论文在分析影响工业以太网实时性因素的基础上,从网络时钟同步补偿和网关队列调度这两个方面对网络实时性能进行改进,对采用工业以太网作为下一代列车通信网的应用展开研究。在时分复用的网络中,需要进行全网时钟同步。针对IEEE1588时钟同步协议从时钟直接补偿造成时间突变的问题,提出一种卡尔曼滤波频率间接补偿的方法。对同步协议获取的时间偏差采用卡尔曼滤波提高偏差精度然后对计时时钟管理单元计时频率进行调整,达到间接补偿时间偏差的目的,提高时钟同步的精度和系统的稳定性。针对列车车辆网关数据量大的特点,为了降低网关数据包排队延时,提出一种自适应权值学习轮询队列调度算法。根据检测到的不同优先级队列的队列长度信息和队列长度的预定值,设计增强学习的的状态集；依据每次调度对队列长度的改变设计回报函数。根据网络数据流的变化,学习和改变队列的调度权重,对队列进行动态调度,保证各种类型数据包的传输时延,同时提高网络带宽的利用率。最后,本文使用ARM系列微处理器和嵌入式操作系统设计了两类列车以太网通信节点：一类是具有时钟同步及协议转换功能的总线-以太网网卡,另一类是具有路由和队列调度功能的车辆网关。利用以上节点对列车以太网时钟同步性能和组网实时性进行测试分析,验证本文所提出方案的合理性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
    1.2.1 列车通信网络研究现状  11-12
    1.2.2 工业以太网在列车通信中的研究与应用  12-15
    1.2.3 工业以太网在列车通信中应用存在的问题  15
  1.3 主要研究内容  15-16
  1.4 论文的组织结构  16-17
第二章列车以太网实时性问题分析  17-29
  2.1 以太网特性分析  17-20
    2.1.1 以太网概述和实时性分析  17-18
    2.1.2 以太网实时性硬件改进方法  18
    2.1.3 以太网实时性软件改进方法  18-20
  2.2 分时复用的列车以太网实时通信模型  20-25
    2.2.1 列车通信数据类型  20-21
    2.2.2 列车以太网组网方式的研究  21-22
    2.2.3 分时复用的以太网通信方式  22-25
  2.3 时钟同步方法研究  25-27
    2.3.1 时钟同步的作用和类型  25-26
    2.3.2 列车网络中使用IEEE1588时钟同步的需求和关键问题  26-27
  2.4 网关队列调度算法研究  27-28
    2.4.1 常用的队列调度方法  27
    2.4.2 列车网关队列调度的难点和需求  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章列车以太网时钟同步补偿策略的研究  29-43
  3.1 列车通信网络时钟同步概述  29-34
    3.1.1 列车通信网络中的时钟同步模型  29-30
    3.1.2 时钟同步数据帧的种类  30
    3.1.3 时钟同步过程  30-33
    3.1.4 IEEE1588时钟同步及补偿方法的分析  33-34
  3.2 列车通信网络时钟同步补偿机制的研究  34-40
    3.2.1 列车时钟模型和误差分类  34-36
    3.2.2 直接时差补偿机制  36-37
    3.2.3 卡尔曼滤波频率间接时钟补偿机制  37-40
  3.3 时钟同步补偿仿真分析  40-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章车辆网关队列的自适应权值学习轮询调度算法  43-56
  4.1 问题描述与模型建立  43-46
    4.1.1 问题提出  43-44
    4.1.2 车辆网关节点队列划分  44-45
    4.1.3 列车网关队列的自适应权值学习模型  45-46
  4.2 自适应权值学习轮询调度算法  46-52
    4.2.1 自适应权值学习队列轮询调度的基本要素定义  46-49
    4.2.2 单车辆网关队列调度的实现  49-50
    4.2.3 多车辆网关队列调度的研究  50-52
  4.3 自适应权值学习轮询队列调度算法的仿真分析  52-55
    4.3.1 列车网关仿真场景与参数设置  52-53
    4.3.2 性能评价指标  53
    4.3.3 仿真结果分析  53-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章列车以太网嵌入式通信节点设计  56-76
  5.1 总线-以太网接口网卡设计  56-65
    5.1.1 硬件总体设计  56-59
    5.1.2 μC/OS-Ⅱ操作系统和TCP-IP协议栈的移植  59-62
    5.1.3 时钟同步实现  62-64
    5.1.4 CAN-Ethernet协议转换  64-65
  5.2 车辆网关设计  65-72
    5.2.1 硬件结构总体设计  65-67
    5.2.2 车辆网关操作系统移植  67-69
    5.2.3 队列调度算法的实现  69-72
  5.3 通信节点性能测试  72-75
    5.3.1 时钟同步性能测试  72-73
    5.3.2 组网测试  73-75
  5.4 本章小结  75-76
第六章结论与展望  76-78
  6.1 结论  76-77
  6.2 展望  77-78
参考文献  78-84
附录1 图索引  84-86
致谢  86-87
攻读学位期间主要的科研情况  87

以太网列车的网络实时性改性方法研究

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