CN115047785A - 一种基于opnet的同步现场总线仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信仿真技术领域，具体涉及一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法。该方法首先解析总线协议，通过对总线上下文协议分析获取总线物理结构和网络层约束；其次构建设备节点模型，按照方块图方法进行设备建模，完成仿真概要设计；接着完善设备节点模型，在进程层对设备协议进行实现协议细节，完成仿真详细设计；然后研究总线运行负载，通过对总线数据分析，完成仿真流量配置；最后获取仿真结果，完成总线仿真报告以对总线设计性能进行评估。本发明可以解决传统总线设计缺乏仿真手段和设计依据的问题，降低了总线设计难度，提高了设计效率和安全性，具有较强的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于通信仿真技术领域，具体涉及一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法。
背景技术
现场总线技术是智能设备和自动化***的连接桥梁，是计算机技术、通信技术、智能控制技术发展的交汇点，是实现自动控制设备智能化、数字化、分散化和网络化的重要关键。
目前，现场总线设计方法缺乏仿真工具支撑，只能依靠设计人员的经验和直觉进行试探和摸索，进而通过搭建实物平台进行设计验证。上述方法在网络规模小、简单的情况下尚可以满足设计需要，但是现代工业现场控制网络规模越来越大、结构越来越复杂，采用上述方法设计容易造成设计失败、影响工程进度，而且搭建实物平台带来成本和时间投入较大，因此越来越需要一种新的网络规划和设计手段来保证网络设计的客观性和结果的可靠性。
为了解决上述问题，有的学者引入了Matlab对总线进行建模和仿真，但是上述方法开发时间长且对开发人员技术水平要求较高，而且实验结果不够直观具体，不适合工程开发人员。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对控制工况复杂程度较高、节点数量较多的现场总线，如何提出一种总线仿真方法。该方法搭建了一种同步现场总线网络协议仿真***，为该类总线提供一种用于仿真的通用方法，解决了传统总线设计缺乏仿真手段和设计依据的问题，降低了总线设计难度，提高了设计效率。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：解析总线协议，通过对总线上下文协议分析获取总线物理结构和网络层约束；
步骤2：构建设备节点模型，按照方块图方法进行设备建模，完成仿真概要设计；
步骤3：完善设备节点模型，在进程层对设备协议进行协议细节实现，完成仿真详细设计；
步骤4：研究总线运行负载，通过对总线数据分析，完成仿真流量配置；
步骤5：获取仿真结果，完成总线仿真报告以对总线设计性能进行评估。
其中，所述步骤1中，进行总线网络协议解析；
总线网络结构由总线链路和设备节点构成，总线链路与物理链路对应，设备节点与实际设备节点对应，表示网络中可能存在的各类设备，总线网络协议解析是针对总线包含网络数量、总线节点数量、节点分布进行分析规划，明确网络结构划分和约束，形成网络层分布结构。
其中，所述步骤2中，构建设备节点模型；
节点层建模是按照方块图方法进行，参照国际OSI参考结构绘制出同步总线的节点模型，参照标准结构将总线划分为数据链路层和物理层。
其中，所述步骤3中，完善设备节点模型；
设备实现通信是按照一定的通信协议进行的，这些协议用于描述设备面临各种情况下需要采取的各类行动，这些协议才是仿真的核心，上述步骤2中搭建了方块图，接下来在各个层中实现通信协议的细节，最终各个层共同生成用于仿真的仿真程序。
其中，所述步骤3中，对节点模型进行详细设计，对模型的协议和算法进行实现，OPNET中提供了一种Proto-C的语言对模型的协议进行描述，该语言主要包括两部分：用图形表示的状态机(FSM)和在状态和其他块中嵌入的C/C++语句；利用上述语言可以实现总线协议的全部功能，依次可以相应完成各层模型建模。
其中，所述步骤4中，研究总线运行负载，设计网络流量；
通过对需要仿真的通信网络进行负载情况分析，确定网络各个节点产生数据分布概率函数，并且在网络中对流量分布概率函数进行部署，用以模拟实际运行过程中总线流量。
其中，所述步骤5中，分析总线仿真结果，形成仿真报告；
利用OPNET在线仿真和虚拟能力，完成网络各类情况仿真，以达到尽可能少的投入获取最优效果。
其中，所述方法解决了传统总线设计缺乏仿真手段的问题。采用本方法对传统设计人员以经验为主的网络设计手段进行了补充，依据本方法可以提升设计人员工作效率，减少设计时间，有力保障总线设计方案的可靠性和安全性。
其中，所述方法成本投入低，测试周期短。利用网络仿真计算速度快，运算效率高特点，可以短时间内模拟出网络可能出现的各类情况及其后果，同时该方法不需要硬件成本投入，可以一定程度上减少设计阶段成本投入。
其中，所述方法可以降低仿真设计难度。引入方块图方法进行总线仿真，参照国际OSI参考结构可以绘制出该同步总线的节点模型用于仿真，大大降低了设计时间和难度。
(三)有益效果
本发明提供一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法，该方法搭建了一种同步现场总线网络协议仿真***，为该类总线提供一种用于仿真的通用方法，解决了传统总线设计缺乏仿真手段和设计依据的问题，降低了总线设计难度，提高了设计效率。
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明解决了传统总线设计缺乏仿真手段的问题。采用本方法对传统设计人员以经验为主的网络设计手段进行了补充，依据本方法可以提升设计人员工作效率，减少设计时间，有力保障总线设计方案的可靠性和安全性。
(2)本发明成本投入低，测试周期短。利用网络仿真计算速度快，运算效率高特点，可以短时间内模拟出网络可能出现的各类情况及其后果，同时该方法不需要硬件成本投入，可以一定程度上减少设计阶段成本投入。
(3)本发明可以降低仿真设计难度。引入方块图方法进行总线仿真，参照国际OSI参考结构可以绘制出该同步总线的节点模型用于仿真，大大降低了设计时间和难度。
附图说明
图1为仿真方法实现步骤图。
图2为网络层建模结果图。
图3为节点层建模结果图。
图4为总线仿真结果—平均信息延误示意图(单位：毫秒)。
图5为总线仿真结果—总线网络利用率(单位：百分比)与平均信息延误(单位：ms)的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
OPNET作为主流的仿真软件，具有丰富的资源模块，包括FDDI、Ethernet、TCP、UDP等，用户可以根据自己的需要来选择、修改或者自定义模块来模拟网络通信的过程，将OPNET引入现场总线仿真可以解决上述面临的问题。
为此，本发明提供一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：解析总线协议，通过对总线上下文协议分析获取总线物理结构和网络层约束；
步骤2：构建设备节点模型，按照方块图方法进行设备建模，完成仿真概要设计；
步骤3：完善设备节点模型，在进程层对设备协议进行协议细节实现，完成仿真详细设计；
步骤4：研究总线运行负载，通过对总线数据分析，完成仿真流量配置；
步骤5：获取仿真结果，完成总线仿真报告以对总线设计性能进行评估。
其中，所述步骤1中，进行总线网络协议解析；
总线网络结构由总线链路和设备节点构成，总线链路与物理链路对应，设备节点与实际设备节点对应，表示网络中可能存在的各类设备，总线网络协议解析是针对总线包含网络数量、总线节点数量、节点分布进行分析规划，明确网络结构划分和约束，形成网络层分布结构。
其中，所述步骤2中，构建设备节点模型；
节点层建模是按照方块图方法进行，参照国际OSI参考结构绘制出同步总线的节点模型，参照标准结构将现场控制总线划分为数据链路层和物理层，结合实际工程场景，本方法在上述基础上添加了应用层，用于实现用户仿真自定义程序。
其中，所述步骤3中，完善设备节点模型；
设备实现通信是按照一定的通信协议进行的，这些协议用于描述设备面临各种情况下需要采取的各类行动，这些协议才是仿真的核心，上述步骤2中利用各个层搭建了方块图，接下来在各个层中实现通信协议的细节，最终各个层共同生成用于仿真的仿真程序。
其中，所述步骤3中，对节点模型进行详细设计，对模型的协议和算法进行实现，OPNET中提供了一种Proto-C的语言对模型的协议进行描述，该语言主要包括两部分：用图形表示的状态机(FSM)和在状态和其他块中嵌入的C/C++语句；利用上述语言可以实现总线协议的全部功能，依次可以相应完成各层模型建模。
其中，所述步骤4中，研究总线运行负载，设计网络流量；
通过对需要仿真的通信网络进行负载情况分析，确定网络各个节点产生数据分布概率函数，并且在网络中对流量分布概率函数进行部署，用以模拟实际运行过程中总线流量。
其中，所述步骤5中，分析总线仿真结果，形成仿真报告；
充分利用OPNET强大的在线仿真和虚拟能力，完成网络各类情况仿真，以达到尽可能少的投入获取最优效果。
其中，所述方法解决了传统总线设计缺乏仿真手段的问题。采用本方法对传统设计人员以经验为主的网络设计手段进行了补充，依据本方法可以提升设计人员工作效率，减少设计时间，有力保障总线设计方案的可靠性和安全性。
其中，所述方法成本投入低，测试周期短。利用网络仿真计算速度快，运算效率高特点，可以短时间内模拟出网络可能出现的各类情况及其后果，同时该方法不需要硬件成本投入，可以一定程度上减少设计阶段成本投入。
其中，所述方法可以降低仿真设计难度。引入方块图方法进行总线仿真，参照国际OSI参考结构可以绘制出该同步总线的节点模型用于仿真，大大降低了设计时间和难度。
实施例1
本实施例的一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法的设计思路为：首先解析总线协议，通过对总线上下文协议分析获取总线物理结构和网络层约束；其次构建设备节点模型，按照方块图方法进行设备建模，完成仿真概要设计；接着完善设备节点模型，在进程层对设备协议进行实现协议细节，完成仿真详细设计；然后研究总线运行负载，通过对总线数据分析，完成仿真流量配置；最后获取仿真结果，完成总线仿真报告以对总线设计性能进行评估。
下面具体描述本发明的实施步骤：
第一步，总线网络协议解析。总线网络结构由总线链路和设备节点构成，总线链路与物理链路对应，设备节点与实际设备节点对应，表示网络中可能存在的各类设备，总线网络解析是针对总线包含网络数量、总线节点数量、节点分布进行分析规划，最终结果形成图2所示网络层分布结构图。
第二步，构建设备节点模型。节点层建模是按照方块图方法进行，参照国际OSI参考结构可以绘制出该同步总线的节点模型，参照标准结构可以将现场控制总线划分为数据链路层和物理层，结合实际工程场景，本方法在上述基础上添加了应用层，用于实现用户仿真自定义程序，实现效果如图3所示。
第三步，完善设备节点模型。设备实现通信是按照一定的通信协议进行的，这些协议用于描述设备面临各种情况下需要采取的各类行动，这些协议才是仿真的核心，上述第二步中利用各个模块搭建了方块图，接下来在各个模块中实现通信协议的细节，最终各个模块共同生成用于仿真的仿真程序。
第四步，研究总线运行负载，设计网络流量。通过对需要仿真的通信网络进行负载情况分析，确定网络各个节点产生数据分布概率函数，并且在网络中对流量分布概率函数进行部署，用以模拟实际运行过程中总线流量。
第五步，分析总线仿真结果，形成仿真报告。充分利用OPNET强大的在线仿真和虚拟能力，完成网络各类情况仿真，以达到尽可能少的投入获取最优效果。
以某武器装备同步控制总线为例，利用本发明进行总线设计。
第一步，总线网络协议解析。首先对该同步现场总线协议进行解析，确定其网络结构，根据该总线协议可以确定总线由主设备、从设备两种类型的设备构成，根据设备节点间分布特征和总线结构特征可以构建总线拓扑结构如图2所示。
第二步，构建设备节点模型。参照国际OSI参考结构可以绘制出该同步总线的节点模型如图3所示，该节点模型用一组收发机实现物理层；APP层和LLC层采用处理器模块实现，用于用户编程和链路访问控制；MAC层用队列模块实现帧缓存功能；上行的虚线和下行的线是包流线，表示模型中数据流的传输；上行的实线是统计线用于侦听总线状态。
第三步，完善设备节点模型。对节点模型进行详细设计，对模型的协议和算法进行实现，OPNET中提供了一种Proto-C的语言对模型的协议进行描述，该语言主要包括两部分：用图形表示的状态机(FSM)和在状态和其他块中嵌入的C/C++语句。利用上述语言可以实现总线协议的全部功能，依次可以相应完成MAC层、LLC层和APP层模型建模。
第四步，研究总线运行负载，设计网络流量。网络时统周期范围内采用等距划分原则分配各节点时间片，采用0.004s，各节点分布函数按照公式1设置，进行仿真运行。
第五步，分析总线仿真结果，形成仿真报告。网络总线评价指标有很多种，最常用来评价性能的指标就是平均信息时延和总线网络利用率，这儿选用上述指标来对网络进行评价，如图4和图5所示为仿真结果，可以从图中看出网络最大信息延误为0.0034s，小于预先设定的时间；且针对总线利用率和平均信息延误关系进行分析，发现在总线利用率超过80％情况下(实际使用中总线负载不会超过70％)设定周期中未出现总线拥堵情况，所设计的总线能满足实际应用需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：解析总线协议，通过对总线上下文协议分析获取总线物理结构和网络层约束；
步骤2：构建设备节点模型，按照方块图方法进行设备建模，完成仿真概要设计；
步骤3：完善设备节点模型，在进程层对设备协议进行协议细节实现，完成仿真详细设计；
步骤4：研究总线运行负载，通过对总线数据分析，完成仿真流量配置；
步骤5：获取仿真结果，完成总线仿真报告以对总线设计性能进行评估。
2.如权利要求1所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述步骤1中，进行总线网络协议解析；
总线网络结构由总线链路和设备节点构成，总线链路与物理链路对应，设备节点与实际设备节点对应，表示网络中可能存在的各类设备，总线网络协议解析是针对总线包含网络数量、总线节点数量、节点分布进行分析规划，明确网络结构划分和约束，形成网络层分布结构。
3.如权利要求2所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述步骤2中，构建设备节点模型；
节点层建模是按照方块图方法进行，参照国际OSI参考结构绘制出同步总线的节点模型，参照标准结构将总线划分为数据链路层和物理层。
4.如权利要求3所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，完善设备节点模型；
设备实现通信是按照一定的通信协议进行的，这些协议用于描述设备面临各种情况下需要采取的各类行动，这些协议才是仿真的核心，上述步骤2中搭建了方块图，接下来在各个层中实现通信协议的细节，最终各个层共同生成用于仿真的仿真程序。
5.如权利要求4所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，对节点模型进行详细设计，对模型的协议和算法进行实现，OPNET中提供了一种Proto-C的语言对模型的协议进行描述，该语言主要包括两部分：用图形表示的状态机(FSM)和在状态和其他块中嵌入的C/C++语句；利用上述语言可以实现总线协议的全部功能，依次可以相应完成各层模型建模。
6.如权利要求4所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述步骤4中，研究总线运行负载，设计网络流量；
通过对需要仿真的通信网络进行负载情况分析，确定网络各个节点产生数据分布概率函数，并且在网络中对流量分布概率函数进行部署，用以模拟实际运行过程中总线流量。
7.如权利要求6所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，分析总线仿真结果，形成仿真报告；
利用OPNET在线仿真和虚拟能力，完成网络各类情况仿真，以达到尽可能少的投入获取最优效果。
8.如权利要求1所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述方法解决了传统总线设计缺乏仿真手段的问题。采用本方法对传统设计人员以经验为主的网络设计手段进行了补充，依据本方法可以提升设计人员工作效率，减少设计时间，有力保障总线设计方案的可靠性和安全性。
9.如权利要求1所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述方法成本投入低，测试周期短。利用网络仿真计算速度快，运算效率高特点，可以短时间内模拟出网络可能出现的各类情况及其后果，同时该方法不需要硬件成本投入，可以一定程度上减少设计阶段成本投入。
10.如权利要求1所述的基于OPNET的同步现场总线仿真方法，其特征在于，所述方法可以降低仿真设计难度。引入方块图方法进行总线仿真，参照国际OSI参考结构可以绘制出该同步总线的节点模型用于仿真，大大降低了设计时间和难度。
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