Truetime网络仿真.doc

网络控制系统的调度研究与仿真（Truetime工具） 节点的驱动方式 网络控制系统中的传感器一般采用时钟驱动，传感器的时钟即为系统的时钟，而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。但事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点： (1)控制器或执行器为事件驱动方式时，从源节点（传感器或控制器）发送的数据一旦到达目标节点（控制器或执行器）便马上执行，而在时钟驱动方式时控制器或执行器的数据被执行要等到规定的时间点，因此事件驱动方式客观上减少了网络诱导时延； (2)控制器或执行器为事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式时与传感器时钟同步的困难； (3)控制器或执行器采用事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式时容易出现的空采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。 事件驱动相对于时钟驱动也有一定缺点： (1)在实际运用中事件驱动较难实现。 (2)部分实际的网络控制系统不支持事件驱动方式。 2. TrueTime工具箱结构与功能 Truetime是由瑞典Lund工学院Henriksson等人开发的一个基于Matlab/Simulink的实时网络控制系统的仿真工具箱，为NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段，拜托了软件编程实现特定的网络通讯协议、通信延迟所带来的困难，支持控制与实时调度同时仿真可以方便地仿真实时系统中的资源调度问题。TrueTime仿真软件主要包括两个基本模块：内核模块（TrueTime Kernel）和网络模块（TrueTime Network），如图1所示。 内核模块可以是时间驱动也可以是事件驱动的，它主要包含了一个实时内核，A/D，D/A转换端口，与网络模块连接的信号端口（信号接收（Rcv），信号发送（Snd）），实时调度（schedule）显示端口等，调度器与监视器的输出用于显示仿真过程中公共资源（CPU、监控器、网络）的分配，此外，它还有一个外部中断通道（Interrupts）可以处理外部中断。任务和中断处理器的执行需要通过用户自定义函数来实现。调度策略使用一个优先权函数来决定任务的属性。 图1 Truetime工具箱 网络模块是事件驱动的，当有消息进入或离开网络时它便执行。一条消息包含的信息有发送和接收节点号，用户数据（如测量信号和控制信号），消息的长度和其他可选的实时属性（如优先级或最终时限等）。网络模块包含两个信号端口（信号接收（Rcv），信号发送（Snd）），以及一个实时调度（schedule）显示端口。其中收发信号端口可以通过Matlab模块扩充至多个接口，TrueTime中预定义了多种调度策略，包括固定优先级（Fixed Priority），单调速率（RM，Rate Monotonic），截止期单调（DM，Dead line Monotonic），最小截止期优先（EDF，Earliest Dead line First），同时，它还有多种介质访问控制协议（CSMA/CD,CSMA/CA,Round Robin,FDMA或TDMA）和相应的参数可以选择，如图2所示。 图2 Truetime网络模块 Network number：网络模块的数量。 Number of nodes：连接在网络模块的节点数量。 Data rate (bits/s)：网络传输速率。 Minimum frame size (bits)：协议的最小结构长度。 Pre-processing delay (s)：信息在网络接口上的发送时延。 Post-processing delay (s)：信息在网络接口上的接收时延。 Loss probability (0–1)：丢包率。 利用TrueTime仿真软件，网络控制系统中的各个处理单元（包括传感器、控制器和执行器）都可以由计算机模块构建，而网络控制系统的实时网络可以由所需协议的网络模块来构建，另外，再结合Matlab/Simulink的其他控制模块，就可以简便而又快速的构建一个实时的网络控制系统。 利用TrueTime仿真软件包的优点在于： 由于该仿真软件中两个基本模块具有通用性，在构建各个处理单元时只需选用其相应的接口功能进行连接即可，因此大大加快模型构建的速度。 （2）该仿真软件可以比较方便模拟各种实时调度策略，并通过Scope可以很方便地观察各个任务的调度情况和对象的输出情况。 （3）在网络模块中，可以很方便的模拟数据传输率、数据包的大小和丢包率等网络参数，有利于分析各类参数对网络控制系统的性能影响。 使用TrueTime进行仿真时，首先要对网络控制系统中的内核模块TrueTime Kernel和网络模块TrueTime Network以及各个节点进行初始化，在初始化中需要完成以下工作： 初始化功能块内核，设置功能块输入、输出端口的数目和调