总线式控制系统作为工业控制系统的一种重要类型,在军民装备控制领域中得到了广泛而深入的应用。基于实时以太网通信链路的总线式控制系统已成为当今工控系统发展的主流。而国内关于此类系统性能方面的研究较少,整体水平与国外仍有一定差距。随着高端装备对控制精度,响应速度以及运行安全性等要求的不断提高,迫切需要突破实时以太网分布式架构中的系统任务调度、多节点高精度同步以及总线通信安全等核心关键技术。这些关键技术涉及系统各模块间的任务时间管理、通信协议转换以及安全功能设计等多个方面。如何综合考虑这些系统内在因素,提高系统实时、同步以及安全等性能是此类系统所关注的主要问题。本文将围绕这些技术难题展开深入研究。本文的研究工作包括以下几个方面:1.根据工控系统发展现状,本文对基于实时以太网总线的分布式系统架构进行了全面论述,提出了一种典型主从架构的实时以太网总线式控制系统设计方案,详细说明了系统各部分功能模块设计方法,明确了系统实时性、同步性以及安全性等关键性能指标,为后续系统关键问题的研究工作提供设计依据。2.总线式控制系统实时性是高端装备控制领域所关注的主要问题。论文分析了主从站间的数据传输、多任务执行时机以及任务延迟等因素对系统实时性能的影响,并从任务调度和实时通信模块设计两方面展开研究。在任务调度方面,提出了一种针对实时以太网总线式控制系统的任务调度方法。该方法建立了各控制回路任务间的时间关系,可使系统控制周期降低至百微秒量级。在通信实时性方面,对主站实时通信模块进行设计,可使系统最小通信周期达到125微秒。为进一步开展高速高精同步控制与安全问题研究打下基础。3.同步性能是制约系统多轴联动控制性能提升的重要技术指标。针对高端装备控制领域不断提升的系统同步性能要求,本文分析了影响系统同步性能的主要原因,提出了一种基于实时以太网且符合CANopen协议的系统同步方法。该方法综合考虑了总线通信、协议转换以及任务调度等因素对同步性能的影响。基于该方法,各节点控制信号的最小同步误差约为100纳秒。所提方法可直接用于实时以太网总线式控制系统的多节点高精度协同控制。4.开放式总线架构使系统易于受到非法网络攻击等信息安全威胁。而通信不确定性会直接影响主从站数据交互的稳定性。本文分析了影响系统通信安全的主要因素,并结合SESAMO建模方法,设计了节点身份验证、通信加密以及数据校验等安全功能块,形成了一种兼顾功能安全和信息安全的Safe-COE安全通信架构。该架构可为分布式系统的通信安全设计提供较有效的解决方案。5.为了验证论文研究工作的有效性,本文在所搭建的实验系统上进行了实时及同步性能测试,并利用形式化建模方法对系统安全通信架构进行建模、仿真与功能验证。实验表明,采用本文所提出的任务优化调度、外设高精度同步控制以及安全集成设计方法,系统在实时性、同步性以及安全性等方面具有优良的性能。