（电路与系统专业论文）epon在计算机控制系统中的研究与应用.pdf

摘婴 摘要 将e p o n 引入到工业现场计算机控制系统中，在控制计算机与现场改箭智能节 点之i 日j 通信采用以太网协议，通道介质采用光纤，坷i 但i 叮以实现远氍实时控：l ；l l ， 简化多层讨弹机控制系统之f j j 的通信协议i 1 1 也能! i j 2 转们捉一以系统n 勺叮骺r l ：。 奉文基j 二现场计算机控制系统年i j l ! l o n 的特点，通过比较了( ) 的静念硐l 动 奎带宽分配算法，提出了一种经过改进的，可适j 1 j 于现场设备控制系统的l ：i j 动 态带宽分配算法，并且在该算法的基础上，设计完成了光嘲络节点的硬件和软件 设计。该算法采用轮询话叫应答方式。在固定的时日j 周期内，确定一个最小时隙 和最大时隙在能够响应每个智能节点的同时，又提高了系统的实时性。算法根 据现场设备智能节点任务的重要性的不同，设定不同的优先级，根据优先级来确 定轮询呼叫的顺序。并且优先级低的节点在一定得时删内不到响应。则自动将其 的优先缴别增加。并且算法也实现了智能节点的自动退出和自动接入，然后对改 j 算法迸行了仿真。用单片机设计实现了光网络符点o n u 的硬件，通过( t - 弘斤概 上移植n u t o s 操作系统和软件编程，实现了改进算法及光以太嘲通信功能。最后 讨论了e p o n 与计算机控制系统结合的优势和设计、测试过程中的一些f u 题。 通过对动念带宽算法的改进和光网络节点的设计和测试，将e p o n 运用到计算 机控制系统中证明是可行，郎能够满足系统的实时性要求也提高了系统胎可用 性和灵活性。 关键词：i p o n 动态带宽算法n u t o s 控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s f e re p o ni n t op r a c t i c a li n d u s t r yc o m p u t e rs y s t e m ，u s ee t h e r e n tp r o t o c o lo n a m m u n i s a t i o n sb e t w e e nc o n t r o lc o m p u t e ra n df i e l de q u i p m e n t s ，t h ec h a n n e lm e d i u m u s e st h eo p t i c a lf i b e r 。a c h i e v et h el o n g d i s t a n c er e a l t i m ec o n t r 0 1 s i m p l i f ym u l t i l a y e r c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mc o m m u n i c a t ep r o t o c o l 。a l s oc a nm a r k a b l ye n h a n c er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t h i sp a p e rb a s e do nt h ec h a r a c t e r so fe p o na n dp r a c t i c a lc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m t h r o u g hc o m p a r i n gs t a t i c a n dd y n a m i cb a n dw i d t ha s s i g n m e n t a l g o r i t h mo f e p o n ，p r o p o s e so n ek i n do fp r o v e ds u i t a b l et ot h ep r a c t i c a l f i e l dc o n t r o ls y s t e m a n d c o m p l e t et h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n so fo n u o nt h ef o u n d a t i o no ft h e a l g o r i t h ma d o p t sr o t a t i o n c a l la n dr e p l a yw a y ，w i t h i nf i x e dt i m e - c y c l e ，d e t e r m i n e sa m i n i m u mt i m eg a pa n dam a x i m a lo n e w h i c hc a nr e s p o n de a c hi n t e l l i g e n tn o d ea n dc a n i m p r o v et h es y s t e m sr e a l t i m e a tt h es a m et i m e t h ea l g o r i t h me s t a b l i s h e sd i f f e r e n t p r i t o r i t y a c e o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ti m p o r t a n c e o fi n t e l l i g e n tn o d e sd u t yo ft h ep r a c l i c a j e q u i p m e n tw h i c hc a nd e t e r m i n et h eo r d e r i ft h el o wp r i o r i t yn o d ec a n n o tb er e s p o n d e d i nc e r t a i nt i m e i t sp r i o r i t yg r a d ec a nb ei n c r e a s e da u t o m a t i c a l l y a l s ot h ea l g o r i t h mh a s a c h i e v e da u t o m a t i cw i t h d r a w i n ga n di n d r a w i n go fi n t e l l i g e n tn o d e t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mh a sb e e ne m u l a t e di nt h ep a p e r t h eh a r d w a r eo fo n u h a sb e e na c h i e v e di n t h ep a p e ru s i n gm c u ，t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nc o m et r u eo ft h ei m p r o v e d a l g o r i t h ma n do p t i c a l e t h e r n e tt h r o u g hm i g r a t et h en u t o so p e r a t i n gs y s t e ma n d s o f t w a r ep r o g r a m m i n g0 1 1t h em c u f i n a l l y ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h ea d v a n t a g e si n c o m b i n i n ge p o nw i t hc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ep r o p l e m si nd e s i g i n ga n d t e s i n gt h e m t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n tt h ed e s i g na n dt e s to no n uw i t hd y n a m t i cb a n dw i d t h a l g o r i t h m ，i t sp r o v e d t ob ef e a s i b l et h a t u t i l i z e se p o ni nt h ec o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m , w h i c hc a l ls a t i s f yt h es y s t e m sr e a l t i m er e q u e s t s ，a n de n h a n c et h eu s a b i l i t ya n d t h ef l e x i b i l i t yo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：e p o nd y n a m t i cb a n dw i d t ha l g o r i t h m n u t o sc o n t r o ls y s t e m 声明 创新性声明 本人声明所芏交的论文足我个人在甘| j i l j 指导卜进 j ：的研究l ：作及取褂的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以丰，j i 注和敛嘲中所罗列的内容以外，论义。 1 4 i 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果：也4 ：包含为扶得l 撕安l 乜r 科技人学或 j e 它教行机构的学位或证书而使川过的材料。与我同j 1 ：作的i ，d 忠对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说i j 并表示了谢意。 本人签名：l 卑毛筑 h 期：超型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公前i 论文的全部或部 分内容，可以 本人签名： 导师签名： 缩印或其它复制手段保存论文。 1 1 ；l 鲥：迎：兰：堕 f 1 期：丞翌：! ：1 2 第审纬沦 第一章绪论 1 1引言 数字智能控制节点是现场总线计算机控制系统的硬件支撑，足坫 i j i ；。现场。实 时汁算机控制系统执行的是计算机j 现场控制脊点之m 的双向数。，通化，如粜拎 ：划w 点数量较少，而i j 拒对实时r r 骺住要求小，：0 的t i l i 况i - 。般州以使川 r $ 2 3 2 、r s 4 8 5 、r 5 4 2 2 等总线。n l 足_ 控；t 3 ，点较多，il 婴求仃。定的实时代相 靠性的情况下。则采用现场总线。但足如果脱场装霞f i 遵循统的总线坍议，即 相关的通讯觑约，不具备数字通信功能，那么所谓_ ) 叹向数字通信只是一匀空话， 也不能称之为现场总线计算机控制系统。还有，现场总线的大特点就足婴增j j l i 现场一级控制功能。现场控制计算机系统的本质足信息处理现场化，如果现场控 制节点不是多功能智能化的产品，那么现场总线计算机控制系统的特点也就4 i 存 在了所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。 对于一个控制系统，无论是采用d c s 还是采用现场总线，系统需要处理的信 息量至少是一样多的。实际j 二。采川现场总线后，町以从现场似剑尘多的f _ 息。 现场总线系统的信息量没有减少，甚企增加了，昕传输信息们线缆却人人减少了。 这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力。另一方面要让人醚信息化现场 就地完成处理，减少现场与控制机之| 甘j 的信息往返。可以说现场总线的奉质就足 信息处理的现场化。 数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何人阻挡不了的。双向数字 通信现场总线信号以及由它而产生的巨大的推动力，加速现场装置1 j 控制仪表的 变革，丌发出越来越多的助能完善的数字智能现场装首。这些郁足d c s 系统所不 j 备的，f f i j t h 此，2 生的优越性以及给火l t 三厂的设计、配胃、朝【念，远 j 、维护、 箭雕等力l f i i 带来的效益也足d c s 系统所小及的。 2 e l o n ： t 筇机控制系统i l i 的州究oj 避川 减少信息诬返足网络设计和系统组念的+ 条弧婴原则。减少信息往返常常”，带 水改孵系统响心时1 1 i j 的盘，处。此，列络砹汁l f i f 成优先将年1 l i ：n u 价息交换；硅人的 _ i j 点，放n 曲d 。条支路啦。 减少信息i i ：返与减少系统的线缆有时会十1 if i 矛盾。这时仍心以挂省投资为原| ! i j 术傲选择。如粜所选择系统的响应时u j 允计：的话，应选竹省线缆的办案。如所选 系统的响应叫m 比较紧张，稍微减少一点信息的传输就够h j 了，那就应选减少f 矗 息传输的方案。随着光产业的迅速发展和壮人，光纤的成本也迅速卜降，l u j 电缆的成本也总体相差不大。但是，由f 光纤十 1 对电缆的种种优越性，选样光 f 作为数产通信介质也是一种不错的选择。 现在一蝗带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不n d 产二 川卅种功能 块在性能l 会稍有差别，但一个嘲络支路上有许多功能j 旨功能块的协况足客观 存在的。选川哪一个现场仪表上的功能块，是系统组念要解决的l u j 题。 1 2选题的背景和意义 目的，山了二国内集散控制系统，特别是底层控制删络，山于数壁较多，而| | 比较分敝，凶此大多数仍然是采用传统的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2i 乜缆通信方式， 这些通信方式成本低，通信简单方便，通信距离远，但是都具有一个致命的弱点， 那就是没订数据链路层协议，所有通信协议都需要用户自己实现，通信效率比较 低。但足随竹现场总线在幽内的推，“和使用，现场总线j 彳f 。定的优，_ ，叮银 具有数制链路层协议，用户只需要发送和接收数据，而不需要天心通信链路的传 输问题，因此得到了一些用户群体的认可，但是现场总线也存在通信距离短，通 信帧格式固定的问题。而且，出于是分级控制系统，在现场计算机控制系统内使 h j 的是现场总线，而上层监测系统使用以太网，整个系统有多种协议，监控系统 不能直接访问到现场智能单元。分级控制系统示意图如图1 1 所示。 但是随嚣m 络的发展人们希望能够将各个控制节点也接入剑i n t e r n e t i i ， 能够实脱远程托制，整个控制系统构成一个人的州络而f i 需要舀：现场改备级j 托i 叫绒之j 1 l j 进玎脱场总线o j 以人m 的饥议转换。这挑； j 篮他个托：1 月1 7 a 卜 也 第眷绪沦 足一个网络棒点整个系统就j l 订一种通信协议，那就足t c p i p 协议。f i i 址，以 l 这些通信方式的传输介质仍然是也缆，而l b 缆传输方，容功受到外部i u 磁 i 扰 而，靓生误码，从而危急剑整个控制系统的信息安个，影响控制系统的i f ：常运7 j ：， 毖至造成重大的人员和财产损失。 光导纤维足现代通信j 叫络一i f 簟输信息的_ f l = 他媒质光 r 通价足化息扎会的支 柱，足“f 矗息尚速公路”的竹。i ：嗍，也址i u ：界通f _ 建设今肝发j 隧的1 i 体。比纤迎 信作为一一种新兴的技术，从一j r 始就显示出正比的优越住，j i u 缆通信介质+ 1 i 比， 它具有：( 1 ) 传输频带宽，传输容量大；( 2 ) 巾继距离长；( 3 ) 抗i u 磁r 扰： ( 4 ) 保密性好、无串话f 扰； ( 5 ) 节约有色会属和原材科；( 6 ) 线径细、重；遣 轻： ( 7 ) 抗化学腐蚀、柔软可挠。将它应用到控制系统的底层网络的通f 膏中具有 重大的意义。 现场控制层 ( 控铝u 网络) 鞘节心 并j l i 生堪器并：j l 、蹙送器若j i 、盘堪器j 龆垃变蛆器 i ! li 1分级控制系统 本论文研究的主要目的是将目前研究的e p o n 引入刘计算机控制系统巾，j j 光 以太网通信代替目前的现场总线通信方式，提砌f j 息传输的町话性、仪癣性、实 i i , f f l - 。从而实现现场汁算机控制系统通信方式的改进和升级，简化锻个系统i - f 门 通信挑议，实现a ：意义卜的分激控制，远干i i l 控制，i x 域控制，返也竹合口： 仃儿 4 f , p o nn ：汁矩机控制系统巾f 一州究j l ；, ij i j 界和我幽汁鲐机控制系统的发展方向。 1 3 本文的卜婴j ：作 本文的i ：婴l 作是通过将e p o n 系统j 汁算机现场控；制系统纣i 合，利川 e p o n 系统的j i ! 犁光通信总线来提升现场控制系统的通信质量干“能力，j ：锹扒汁1 7 ： 机现场托制系统的特点，通过研究和分析e p o n 的m a c 协议和带宽分配鲜法。捉 i 了种改进的动态带宽分配算法，并进 j 了o n u 相关的硬件f u 路没计。4 ：i f i ，” 机l ：移卡i ! fn u t o s 操作系统，利川其t c p i p 协议拽，以实现料能控：i ；| | 1 y ，_ j1 讲i 计钎机“接进i j ：以太网通信。全文安排如卜： 第一章绪论部分先探讨了当前计算机控制系统的通信方式和目前现状，给出 了日阿一般分级控制系统的架构，分析了其中的不足，对光以太网在控制系统l | 的运用的优势做了简要的论述。 第二章对e p o n 的概念做了简要的阐述，并且对将e o p n 如何引入到计算机 控制系统- p 做了原理性的描述。对计算机控制系统星型光通信总线的架构进行了 描述，并对将其应用到控制系统中的优势做了简单的分析比较。 笫i 章r 要针对e p o n 的接入技术做了简婴的州述，对i l 前e p o n 儿种腆j 弘 的m a c 协议做了j ! l ! 论性的陈述，比对了他们的优缺点，j f ：结合e p o n 系统i 计弹 机控制系统的些特点，提出了m a c 协议和带宽分配算法的没计原则。以此提出 了一种改进的适用于计算机现场控制系统的动态带宽分配算法，并做了具体的论 述和程序流程的描述。最后对改进的算法进行了仿真和比较。 第四章则对o n u ( 光网络节点) 进行了设计。通过进行实现方案的比较和 选型，确定了通过在a t m e g a l 2 8 单片机内部移植nu t o s 操作系统，利用其t c p i p 协议栈和r t l s 0 1 9 的结合，实现以太网通信。也讲述了接口设计和光纾收发器的设 计。 缩水i 等l ：篮讨沦了0 、j 计算机控制系统结合的优势年l i 砹汁、测试过牲，i t 的m j 问题。 筑二章f i o n 坫本原雕及系统架构 第二章e p o n 基本原理及系统架构 计铭机为i t j ，。提供了分敞l m 7 r 效的数槲处理1 i 汁鲐能力。们址n ；_ ! 爻i j ，j ；j ；, i l l l 过 袱q ，计算机和以计算机为坫础的职能设备出了处理本身q k 务以外，纯住婴求能 与其他计算机沟通信息，j 享资源，协m j 作，于足，f j j 现了川通f 矗线路将再个 计算机连接起束的计算机群，以实王见资源j k 学年u 作业分们处雕，这就址计鲐机m 络。随着以太网技术的成熟和酱及，协议的丰，j i 准化，以太| 叫技术进入剑l ：q k 控：i ；i j 领域并迅速发展起来。 2 1 e p o n 基本原理 e p o n 是j l q p 最佳的技术厢i 嘲络结构的结合。e p o n 采川点剑多点结构，尤 源光纤传输方式，在以太嘲之上提供多种业务。 2 1 1e p o n 的网络结构 一套典型的e p o n 系统山o l t ，o n u ，p o s 组成。o l t 位于根节点通过o d n 与各个o n u 相连，在下行方向，o l t 提供面向无源光纤网络的光纤接i1 ：在i ：行 方向，o l t 将提供了g e ( o i g a b i te t h e m e t ) 。将来1 0 g b i t s 的以太网技术畅：准定 型后，o l t 也会支持类似的高速接口，为了支持其他流行的协议，在e p o n 的统 一翻管方面o l t 是主要的控制中心实现网络管理的k 要功能。p o s ( p a s s i v e o p t i c a ls p l i t t e r ) 是无源光纤分支器，是一个连接o l t 和o n u 的尢源设衙。o n u 放在用户驻地侧，接入用户终端。 e p o n 系统通过条共享光纤将多个d t e 连接起来，其拓扑结构为不对称的 基于无源光分路器的树形分支结构。m p c p 就是使这种拓扑结构适朋j 二以太删的一 种控n o l 制。o l t 和o n u 之h j 町以灵活组建成树形，环形，总线形以及混余，钽。 e p o n 作为e f m 讨论标准的一部分，建立在m p c p ( m u t i p o i n tc o n l r o ! p r o l o c o l 多点挖制协议) 基础一l ，垓协议址m a cc o n t r o lf 层的。项功能。m p c p 使川消 息，状态机，定于器米托f ；洲圻f jp 2 m i ，( j _ j ：u 多 ) 的j f l 扑绀构。n ；p 2 m p 托扑- j - 6 e p o n 在汁锌机控： ；i j 系统z l 一的研究o ，心川 的 ：j | 个o n u 都包含一个m p c p 的实体，h j 以和o l t 一的m p c p 的个实体十1 ij f 通f j 。作为e p o n m p c p 的基础，e p o n 实现了一个p 2 p 仿真r 层该r 联使甜 p 2 m p 网络拓扑对于高层来晚就足多个点对点链路的集合。该一r 层足j ! 珏过舀：f 唾个数 捌报的f i i j t t j o j hi 二一个l l d ( l o g i c a ll i n ki d e n t i f i c a t i o n ) 逻辑链路标订 水实现的。 该l l i d 将竹换i j i f 导码l i j 的两个竹。p o n 将士f i 扑结构l l j 的愀幺。i 认为足l i i 殳备， 娜o l t ；将位j ：边缘部分的多个竹点认为足从i 殳符u | jo n u s 。m p c pn ；j i i 对多 的l i 从设备之n u 舰定了一种控制机制以协调数搬仃效的发送屏j 接收。系统运i ? 过 程- i ji ：行方向住一个时刻只允许一个o n u 发送，位于o l t 的i 刚去负责处理发送 的定时、不列o n u 的拥塞报告、以便优化p o n 系统内部的带宽分配。e p o n 系 统通过m p c p d u 来实现o l t 与o n u 之f h j 的带宽请求、带宽授权、测距等。 m p c p 涉及的内容包括0 n u 发送时隙的分配，o n u 的自动发现和加入，向 高层报告棚塞情况以便动念分配带宽。m p c p 多点控制协议位于m a cc o n t r o l 。f 层。m a cc o n t r o l 向m a c 予层的操作提供殳时的控i 刨和处理。 2 1 2 e l o n 中的关键技术 为降低o n u 的成本，e p o n 物理层的关键技术集中于o l t ，包括突发信号 的快速同步、网同步、o n u 的自动接入和识别、光收发模块的功率控制和f i 适应 接收。由于下行信道采用广播方式，带宽分配和时延控制可以由商层协议完成。 因而上行信道的m p c p 便成为e p o n 的m a c 层技术的核心。目前的e f m 草案确 定在e p o n 的m a c 层中增加m p c p 子层m p c p 予层的基石主要有3 点：一是 j ：行信道采用定长时隙的t d m a 方式，但时隙的分配山o l t 实施；二是对于o n u 发i i j 的以人i 叫帧不作分割，而足组合，p ：每个时隙町以也龠符l ：个8 0 2 3 帧，白l 合力式山o n u 依据q o s 决定；三是上行信道必须订动态带宽分配( d b a ) 功能 支持即插u j l j 、服务等级区分和q o s 。目前m a c 层争论的焦点在fd b a 的算法 及8 0 2 3 a h 丰，j i 准巾是否需要确定统一的d b a 算法，山f 直接天系剑【：行信道的利 川毕雨l 数扪时延，d b a 技术足m a c 层技术的火键。i | i j u 的办案足塘j 轮咖的俯 宽分秕，j 。棠，u l j o n u 实时地向o l t 甜：搬”“f 内q k 务j 岳求( r e q u e s t ) ( 如：符 炎q k 务的n ：o n u 的绥仃：扛级) o l t 根扒优先级年时延托：刚要求分仳( g r a n t ) 第：母h o n 址本蟓雕及系统架构 7 给o n u 一个或多个时隙，各个o n u 在分配的时隙i i j 按业务优先级钾= 法发送数抓 帧山此可见，出于o l t 分配带宽的对象足o n u 的各类业务i 町* 终端j l jj 一时 。fq o s 这样一个基f 端到端的服务，必须钉高层协议介入彳能保障。 由，re p o n 的上行信道采用t d m a 方式，多点接入学致备o n u 的数叛：帧延 时不，凼此必须引入测距和时延补偿技术以防l l 数掘时域碰摊，j ：支持o n u 的 即插即j 下j 。准确测量各个o n u 到o l t 的距离，j ：精确凋粑o n u 的发送时延，l l ， 以减小o n u 发送窗i i m 的i t h j 隔从而提商卜行t l i 道的利f j 率j f 减小时延”外。 测距过程心允分考虑够个e p o n 的配置情况，例如，t ? 系统以ii ：f l - , jj j l i 入新的 o n u ，此时的测距就小应对j 它o n u 存太人的影响。e p o n 的测曲! o l tj j 亘过 时问标记( t i m e s t a m p ) 在监测o n u 的即插即用的同时发起和完成，媾奉过程如 下：o l t 在t l 时刻通过下行信道广播时隙同步信号和空闲时隙标配，已启动的 o n u 在t 2 时刻监测到一个空闲时隙标记时。将本地计时器重置为t l ，然后柏：时 刻t 3 回送一个包含o n u 参数的( 她址、服务等级等) 在线响应数榭帧，此时 数掘帧中的本地时f h j 戳为t 4 ；o l t 在t 5 时刻接收到该响应帧通过陔响应帧o l t 不但能获德o n u 的参数，还能计算出o l t 与o n u 之日j 的信道筵h tr t t = t 2 - - t l + t 5 一t 3 = t 5 一t 4 ，之后，o l t 便依据d b a 协议为o n u 分眦带宽。1o n u 离线后，山j 二o l t 长时问( 如3r a i n ) 收彳；到o n u 的时n u 戳杯址，则削定j 离线。 协议兼容性问题是e f m 的e p o n 草案中有争论的重要u j 题之其蔓囊点足 e p o n 对于网桥功能是否支持、是单逻辑端口支持还是多逻辑端lj 支持，即对： o l t 而占，其逻辑对象是o n u 还是具体终端用户。如果o l t 的逻辑对缘赴o n u 则对o n u 内用户的桥接、流量控制及部分的q o s 功能山o n u 完成( o n u 含以 太网交换机桥接功能) ，o n uf h j 的桥接和流量控制山o l t 控制；如果o l t 的 逻辑对象是每个用户则o l t 的逻辑链路控制( m a c 层以上功能) “接面向川 户。因此o n u 必须有多个逻辑链路i d ( l l i d ，l o g i cl i n ki d ) 对廊多个终端j 1 j j 1 。 2 i ： 系统步 系统步址指j ：e p o ni ：i j ：为多 剑。；2 , ：f f j j i 4 f t 。i 构，每个o n u 发送时 8 e p o n 仡汁馆机控制系统l - 的州究，廊川 隙必须0o l t 的系统分配的时隙保持致，以防i j 二各个o n uf - h ：数引发乍傩掩。 o n u 侧n 钏j 钟应。io l t 侧的时钟m 步。e p o ni f t t , l , 1 j 步采1 1 1 1 1 i f q h , 够h 式。f 1 ： o l t f 9 1 1 j 仃个令的汁数器，卜j i j ：办向o l t 根据木地的汁数器插入坩钟杯掺，o n u 舣捌收到的时钟丰，j ；签修1 1 i 本地计数器，完成系统步；j 二j r 办f 勺o n u 撖删本地的 汁数器插入时钟标签，o l t 根抛收到的时钟丰，j ；签完成测距。i tj j ：o l t 接收剑的信 1 为各个o n u 的突发信号，o l t 必须能在缀矩的l 时问( 几个比特内) 内实现t l f f , l 的i 一日步。进而接收数据。此外，由f 上行信道采i t t d m a 方式，m2 0k m 光纤f 0 输时延i 叮达o 1m s ( 1 0 5 个比特的宽度) 为避免o l t 接收侧的数抛碰撞，必须 利用测距平时延补偿技术实现全删时隙同步，使数据包按d b a 算法的确定时隙剑 达。 2 1 4 o n u 的自动谚 别 o n u 自动加入目的是通过系统的自动运行，不需人工干预的完成对新o n u 的发现和注册，使新o n u 能够自动加入到e p o n 系统而不影响其它o n u 运行。 e f m 对解决往册冲突提出了两种方案： 1 随机延迟时问：发生注册冲突时，发生冲突的o n u 仍然每次都响应注册 授权，但是在响应丌窗时随机延迟一定时i h j ( 但必须保证o n u 随机延迟后的应答 仍然可以落在斤窗内) 。采用随机延迟时| r j 的方法可以缩短o n u 加入系统的时m ， f f i 足需要增人注册j i ：窗的长度，这样会降低系统的带宽利j j 率。 2 随机跳过j r 窗：发生注册冲突时，发! i 三冲突的o n u 随机跳过符 ：个 i ! 册 授权后j 。匝新响应。如采注册授权的周期为l s ，那么发尘冲突的o n u 町随机延州 1 8 s ( 系统町配置) ，然后继续等待注册授权。采用随机跳过丌窗的方法比随机延 迟时i h j 需要多花一些时问，但是不需增大注册丌窗，不会影响系统的带宽利j f j 率。 2 i 5 功率控制 i i ij ：符个o n u 十1 1 x 1 一j 二o l t 的距离h i 州对j ：o l t 的接收模块，4 q 1 1 1 1 隙的 j j j ；钲小| f i _ i ，神：d b aj 越川i f j ，撼伞，f l l l 1 i h 隙的j j 率也小川( 。时隙川7 能刈膨小 的o n u ) ，称为远近效j 越。j h 此0 1 r 必；6 1 能够伙迷州1 7 j e “0 ”、“l ”l u i ，j 第：驻1 ) n 坫本坂叫! 及系统架构 9 削决点。为解决“远近效应”曾提i j ；过功率控制斤案，即o l tn ：测趴后通过延 ij ：维护管理( o a m ) 数据包通知o n u 的发送功率饽级1 i l r 陔办榘会增加o n u 纳逑价年物理层协议的复杂度。并儿使线路传输性能限定4 i 离o l t 址远的o n u 等级，冈而未被e f m1 - f l ：爿l 采纳。 2 1 6e p o n 的特点 1 长距离，宽带宽，光纤的接入承，f 譬输，光纤化的o n u ：j f 二常仃和j ：光纤d - 人楼内的和线和用，扩容，光纤直接剑j 】户。e p o n 系统所能提供的i f 明m 约仃 优兜级和带宽保证的服务，非常行吸0 l 力。 2 更少的维护和供电无需占用机房和供电设施，支持远端设备o n u 的 自动测距和自动加入网络扩容便利，且局端设釜和用户端设备为统一列管。，叮 以火大降低运营维护费用。 3 e p o n 是面向未水的技术，它足个多业务彤白，i q 以删1 1 j 提供i p 业务毋j 传统的t d m 业务。o o s 可以完全保征，l f ；l i j j 完全遵循i e e e8 0 2 3 a h 的丰，j i 准。这小 但在周一套传输乎台上就可以投据j i j ) _ 的要求随时提供所需婴的多剃- 业务，斯j 非常容易向全i p 业务网络过渡。 4 带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有套完艘的体系。 e p o n 可以根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配( 区别j j 普 通交换机的基于端口的速率限制) ，并可根据业务合约保证每个用，o 连接的q o s ， 基于。最简单的就是最好的”这一互联网发展的结论，标准应该楚e p o n 的 简单，标准的统一程度和q o s 支持的折衷，一方面o n u 作为j j 户端的设徭，j 地位应相当予以太网卡，必须保留以人网的j r 放性。即住t qj 商的o n u - 叮以l 换 j i 立用，这就要求o n u 标准必须具体统一：必须保证廉价性。e p o n 的，d i 木蜡低： 必须保证灵活性，既有接入的可扩展性又耍有业务、服务的灵活性。另。方i n ie p o n 作为新一代的接入网必须克服传统以太嘲的缺陷，即在以支持i p 业务为l i 、捉i ：i 按入带宽的旧时保证q o s 和多业务接入。畅；准会侄物理堪雨l 数训链路联增加。定 的q o s 协议，如：物理层的i l l j 阳纠错、m a cj a - 的地h l - ) j i l 密神id b a 。们埘j iq o s 返十t 个端剑端的服务，仪镞起始ro l t 终结j | 终端川户( l | 伞o n u ) n 勺拨入h 0 i p o n0 引馆机控制系统l i j 的研究，心川 底层服务解决足不现实的，必须有纠络层以上的端到端服务来f ：! f 5 障。 2 2系统网络拓扑结构 系统网络拓扑结构是指系统中的各台计算机、设备之n j 相互连接的办r 。 般常川的m 络结构有以下三种：星型、环形和总线型，如下图2 2 所j ；。 星型 环行 总线彤 幽2 2 网络拓扑结构 ( 1 ) 星型结构 星型结构是将分布于各处的多个站连到处于中心位置的主节点上。任何两个 站之f l i j 的通信都要通过主节点，上节点集中米 1 分散站的信息。w 把集剑l i 协 点的信息转发给相应的站。星型结构届】二集中型删络，易j 二将信息流乳：集起来， 并将信息转发给相应的站，从而提高了全网络的信息处理效率，适j jj 二各纳之n u 信息流量较大的场合。 ( 2 ) 环形结构 环形结构的每个站都是通过节点连接到环形网上，通过逐个节点传达到线路 共用，网上信息单方向围绕着线路进行循环。环形拓扑属于分敞型网络，网上节 点是相对简单的信息接收和发送的中继器。环形网的信号经过每个节点整肜、放 火后再传送不但传送距离远，而且能够保证信号质量。但是因为它足j j j 通信 线路，所以小适j f 】。f - i f , 息流人的场合。 ( 3 ) 总线，钽结构 总线 构采川了一种j r 环尤源的i u 缆作为公j 通信总线，所f r 的站郁通过年1 l 心的艘什i f ：i e 接连接剑总线卜，仃似一个站的信息采川j “插，沿总线 0 播，所 第一：章f , p o n 毖本眨理及系统絮构 l 彳rj e 它站挪能接受。总线型结构瞒j ：分敞慢m 络。j e 结构疋活功1 - 扩塍。j j _ 采川见源传输总线，一个站的故障小会影响其它站的l ：f 1 ：，”f 话r i ：崩。总线结构 足采用最普遍的总线方式。 除了上述三种基本结构外，还有州型结构、树型结构以及各种混合型结构。 这些结构相对比较简单，信息的传输町能有多条途径。针对小州的j 避川领域，采 用不f 日的系统拓扑结构。由于在计算机现场控制系统中，箨个拄制挣点j i f 馆机 之问是属于星型结构，点对多点的方式。丽e p o n 也是点对多j _ 的，址种j ! 缎 拓扑结构。因此将e p o n 和现场计算机控制系统结合，不会改变 j 前待铭机现场 控制系统的结构，局部是星型拓扑结构，但是整个控制嘲络仍然赴分级的j t 6 域嘲。 整个控制系统的结构乐意图如图2 3 所示。 罾箍嚣箍嚣锩 h nn n 止 幽2 3 系统拓扑结构 计算机现场控制系统由主控机、光线路终端( 0 l t ) ，光分配网( o d n ) 和光网 络单元( 蜊u ) 、驱动采集单元构成，拓扑结构采用星型结构。o l t 放置在垂控机 一侧，控制信道的连接，并具有实时监控、管理以及维护等功能。o n u 放臀红驱动 采集单7 i 控制侧，o d n 用束连接0 l t 和o n u ，主控机与现场驱动采集m 几之n q 的拓 扑结构如阁2 4 所示。 2 i , i j o n 订：；t 锋机拄制系统i i ，的研究，f 虹川 j 卜 ： 赢i i o 一点巍。： 一”? ”卜一彳，； 1 “i _ k 。彳# ，。 ”。、? 一- 托i 幽2 4控制汁筇机与现场职能砹蔷1 y 点之i j j 的抖i 扑结构 i 3 2 路 ! ，型耦合器( o d n ) 是连接o l t 和o n u 的，尢源设备，它的功能址将 _ 卜行数捌分成3 2 路给o n u ，将各路o n u 上行的数捌集巾发给o l t 。考虑剑控制 系统中o l t 与o d n 之问相距较远，为了降低系统投资和提高系统实时性，舀：l 下行的数执：流中采用了波分复用技术( w d m ) ，在根光纤中双向传输数据，卜 行使用1 5 1 0 n m 波长，上行使用1 3 1 0 n m 。上下行的数据都采用i e e e 8 0 2 3 的以人 i 】c 】4 协议格，传送的是可变长度的数射帧，最长为1 5 1 8 饥最短为6 4 7 - 饥 这非常适合控制系统中驱动采集啦元状态数捌量大小的小确定。“i 二驱动采集坼 元通信协议不足t c w i p ，在o n u 与o l t 之h j 采用以太网协议，在通信的过程i i ， o n u 还负责协议的转换，在o l t 到o n u 之删实现高速的数据转发。在下行方向 j 二，主控机的控制命令信息通过o l e 传送给o d n ，经过o d n 的耦合器分配给 o n u 单元，经过o n u 的光电转换和相应协议处理后，每个o n u 根据数据包的地 址信息，确认控制命令信息是否是发送给自己的，如果足发送给自己的，则将以 太网数据包解析，提取有效的控制命令信息传送给驱动采集单元，驱动采集堆元 执行棚应的控制动作，同时将外部控制设备的状念信息传送给o n u ，l i o n u 将 状念数妣封装成以人网数据帧后通过上行通逆发送给o l e ，反馈给l i 控机。如 果驱功采集单兀个数量较多时，系统只需要在控制端和驱动采集端枷应增加o l t 和o d n ，i x _ l 此整个系统具有较高的灵活性。 l if 住现场设备控制级也采用以太p 阗通信协议，这样整个系统通f 矗协议邢足 。种迎价眺议。避免了山j ：不m 控制级之n i j 山j 二迎f i f 协议的小h 眦 ；婴朵川协议 转换器或n 几，也提高了系统的垃通性和- u 骺住。 第一二章e p o n 毖本原理及系统架构 2 3优势比较 山于以太网的匕速发聪硐il i 丽光器件的发腱，e p o n 成为汁鲐机现场控制系 统通信接入平台的一种不错的选择。目前，i p v 6 标准的推出和j 肠部应川，如粜将 底层现场控制设备也采用以太网，将整个控制系统形成局域网，全部是以太网的 结构采用与i p 一致的统一的以太网帧结构，整个系统之i h jr 叮以实现免缝连接， 不需要任何格式转换这将可以提高系统实时性，可靠性，降低成本，提供端到 端的连接，实现真正意义上的远程控制。而且，由于光通信具有抗f 扰能力姐、 通道容量大、保密性好、可靠性高等优点，将其用做现场设备控制级的通信传输 介质，具有很好的优势。 筇：嚣系统m a c 悱议的分析o j 改计 第三章系统m a c 协议的分析与设计 由于e p o n 通信协议足以人m 协议，面i e e e 8 0 2 ，3 标准定义了两种坫本的以 爪网配旨；一种是利用载波碰撞榆测多址协议( c s m a c d ) 在一个j 叠介质j ：建 m ，另一种是利i j 全双。【链路通过一个交换机米连接p c 机。e p o n i j 4 i 能把它行 f j ：j 寥介质也不能磊作点对_ i | ，它足这两栉的结合。 在e p o n l 以人嘲数引帧i ho l t 通过1 ：3 2 的尢溺i 椴俞器f 输给符个r o n u ，由于以太网本质上足一个7 。播删，所以在卜 j 办m i ：，e p o n 的结构l 吲 适合这种广播方式：o l t 将数据包以广播的方式发送出去，由各个子o n u 监测自 己接收到的帧的m a c ( 媒质访闯控制) 地址束决定是否接受该数据帧，如果该帧 的m a c 地址与自己的m a c 地址相刚则接收数据，否则丢弃。 上行方向3 2 个o n u 共用信道资源，各个o n u 的数据帧通过复用方式传到 o l t ，由于无源耦合器的定向性，各个o n u 的数据帧只能到达o l t ，到达