分布式嵌入式计算系统关键技术研究

随着物联网、人工智能、云计算等技术的快速发展,分布式嵌入式计算系统在各个领域的应用越来越广泛。分布式嵌入式计算系统是一种将计算任务分布在多个嵌入式设备上,通过网络进行通信和协作的计算系统,具有灵活性强、可靠性高、可扩展性好等优点,是当前计算机领域的研究热点。因此,本文围绕分布式嵌入式计算系统的关键技术进行研究,为该领域的发展提供理论支持。

基于LCM的分布式嵌入式消息通信中间件设计

为了满足工业控制计算机在野外作业装备的分布式嵌入式系统任务迁移需求,设计了一种网络通信中间件方案。基于LCM的发布订阅模式框架以及中心节点的消息通信中间件,从而强化了LCMLite的多线程处理能力和消息通信中间件功能。该中间件能够促进任务迁移过程中各参与方之间的互动流程,并解决应用任务迁移后的网络通信续接和消息丢失问题。据测试结果,对于需要处理大量消息流量的场景,该网络通信中间件在消息传输方面的时间消耗非常少。

基于数据库标签感知分片的制造过程测量数据分布式存储

针对零件在线测量过程中多种测量仪器无法协同存储、仪器内数据查询聚合困难等问题,对多工序测量仪器集群的数据分布式存储和共享方法进行了研究。首先,在多个嵌入式测量仪器中,移植非关系型数据库集群对零件数据进行了分布式存储,简化了零件数据存储模型;然后,引入标签感知分片(tag-aware sharding),实现了零件不同工序测量数据的分类存储目的;最后,使用多个搭载嵌入式Linux系统的树莓派3B+开发板作为测量仪器系统平台,搭建了基于MongoDB数据库的在线测量分布式存储集群,通过大量测试数据验证了该集群在多节点存储时数据分布均匀、性能稳定;将存储集群与企业制造执行系统(MES)进行了对接,其可以实时监控分析零件测量数据,快速汇总所有测量节点内的工序数据并生成报表。研究结果表明:当集群中数据量达到7.2×10^(5)条时,单节点查询响应速度稳定在125 ms~208 ms范围内,相比哈希分片,其最高提升了88.15%;多节点协同查询响应速度为1308 ms,相比“升序键+搜索键”方案,其提升了了61.64%;多个测量节点内,1×10^(5)个零件数据聚合统计仅需5 s左右。该存储集群可以监控零件生产情况,在减少零件制造误差、提高制造效率和质量方面具有重要作用。

分布式嵌入式文件系统的设计

针对当前航空电子分布式嵌入式计算机目前采用NFSV3协议网络文件系统,存在单点故障、服务器性能瓶颈,以及嵌入式环境各种资源受限等约束等问题,提出了基于集群架构的分布式嵌入式文件系统方案。总体架构定义了客户端-元数据服务器-数据服务器分布式文件管理集群架构,透明访问设计采用了精简三级统一路径名和文件服务接口子集;分布式通信设计采用了基于DDS的RPC服务框架,分块及布局管理设计采用表驱动的动态分配方式实现了文件的分块和多副本管理,元数据服务器容错设计采用HA高可用主从数据库方式实现主从元数据服务器状态的实时同步。最后通过搭建分布式嵌入式计算机测试环境,验证了原型系统的功能和性能。

基于嵌入式系统的分布式系统设计

随着经济的不断发展,工程建设项目不断增加。想要提升这些项目的建设质量,应定期检测工程结构状态,及时发现其中存在的缺陷。为更好地监测工程结构状态,设计基于嵌入式系统的分布式系统。

基于嵌入式软PLC分布式控制系统设计

为了确保PC端主机所生成指令程序满足PLC控制原则,使PLC编程器的逻辑编译能力得到保障,提高指令编码准确性,设计基于嵌入式软PLC分布式控制系统;根据软PLC定义标准,确定系统结构的组成形式,再通过分析工作执行机制的方式,完成对嵌入式软PLC系统的技术基础研究;在分布式体系中,同时开发I/O驱动程序与PLC执行程序,并联合下级PLC编程器设备,确定CODESYS工程组件的实时运行状态,完成分布式控制系统的I/O组件设计;按照实时内核的进入与退出模式,定义分时映像区取值范围,借助数据库主机中存储的控制指令执行程序,求解指令逻辑栈表达式,实现对软PLC驱动模式的规范,完成基于嵌入式软PLC分布式控制系统设计;实验结果表明;实验所选10条指令程序的PC端输出结果均满足PLC控制原则,在保障PLC编程器逻辑编译能力方面具有突出作用价值,且能够有效提高指令编码准确性。

面向嵌入式系统的分布式日志系统设计

针对集中式日志管理系统无法满足复杂嵌入式系统日志采集、存储、检索的需求,ELK技术栈无法直接兼容嵌入式平台的问题,提出一种面向嵌入式系统的分布式日志系统。首先,构建了能够采集嵌入式系统中不同类型硬件节点、应用状态和日志,并输出标准统一信息日志生成模块,然后利用FileBeat输入输出特性将日志和状态分别转存到Elasticsearch和Redis,最后完成嵌入式系统硬件和应用状态日志分析,能够兼容X86、ARM、DSP平台的硬件状态和应用状态、日志记录与分析。

分布式发电环境下的嵌入式电力负荷管理系统设计与实现

把分布式电源作为一个可控负荷,通过设计新型嵌入式管理终端,将传统的电力负荷管理终端和新的分布式电源监控相结合,把分布式电源纳入配电网自动化系统的负荷管理,并实现分布式电源和负荷的本地监控。设计并完成嵌入式管理终端和本地监控中心的软硬件开发:接入点测控单元以DSP TMS320F2407为核心,实现对接入点的遥测、遥信、遥控、网络通信等功能;嵌入式管理终端以AT91RM9200处理器为核心,包括下层通信、上层通信、负荷管理、远方抄表、电能量分析、发电管理、分布式电源接入点管理等功能模块;本地监控中心软件分为前置处理、实时数据服务、历史数据库以及人机交互界面。通过搭建实验测试平台证明该系统满足可靠、规范的通信、控制管理,与现有系统兼容等需求。

分布式嵌入式系统的自适应能耗管理和分析

以降低分布式嵌入式系统整体能耗为目标,立足设备属性及其关系,从系统的启动设备集和设备动态供电电压两个方面着手,提出一种基于Agent的自适应能耗管理及其分析方法.在此基础上,给出分布式嵌入式能耗网(DE-Net),并利用DE-Net模型对系统的基本组件进行建模,根据组件间关系形成能耗模型,以刻画系统的执行流程和能耗属性.最后,利用CTL描述系统性质,并借助Petri网的操作语义来验证方法的正确性和有效性.具体实例应用及实验结果表明:该方法能够有效地降低分布式实时系统的能耗,正确描述能耗自适应调整过程,简化建模和分析过程,对开发具有低能耗DES具有重要的理论意义和实用价值.

干涉型分布式光纤振动传感周界安防监测系统研究

针对长距离、大范围周界安防的需求,设计了复合干涉型分布式光纤振动传感周界安防系统。研究了光纤干涉方式实现振动传感的机理,为克服传统干涉结构两路传感光纤需等长且相互隔离的问题,提出采用Sagnac与Mach Zehnder复合光路结构,通过测量干涉光强的变化还原调制光信号中的振动信号,实现对入侵行为的感知。实验结果证明,本系统的频率响应范围在100 Hz~20 kHz,可良好还原外界振动信号,在20 km的测试距离内,可灵敏感知外界扰动。

分布式卫星嵌入式计算机系统结构设计方法

针对分布式卫星的运行环境和任务特点,综合考虑分布式卫星嵌入式计算机系统在可靠性、安全性和实时性方面的要求,提出了一种基于三级容错的主辅式双系统体系结构设计方法。论文分析了分布式卫星的特点和星上嵌入式计算机系统的设计要求,对三级容错设计、主辅式双系统安全设计以及基于可信平台模块(TPM)的辅系统设计进行了详细的阐述。该设计方法已成功应用于地面原理验证系统中,结果表明其可以很好地解决分布式卫星嵌入式计算机系统的可靠性、安全性和实时性问题。

一种分布式实时嵌入式软件的构件模型Z-CCM

把运用于商务应用和桌面系统的中间件和构件化开发思想应用于分布式实时嵌入式(DistributedReal-timeandEmbedded,DRE)软件领域是当前的一个热门研究话题。CORBA构件模型(CORBAComponentModel,CCM)解决了跨平台语言无关的构件化开发问题,然而在提供QoS保证上CCM存在设计缺陷。论文首先分析了CCM的总体构架,接着提出了一种支持DRE软件开发的新的构件模型Z-CCM,这种构件模型从构件的实现框架、装配过程和运行时环境三方面对CCM进行了优化,以改进CCM在提供QoS保证上的缺陷,从而可以提高DRE软件的开发效率,文章最后介绍了Z-CCM的应用背景。

分布式实时嵌入式系统的能耗建模与分析

为支持分布式实时嵌入式(DRE)系统的能耗分析,提出了一种能耗时延Petri网(ECTPN)对系统的模块、任务、任务间关系、通信协议等进行建模。基于所建DRE的ECTPN模型,分析系统的可调度性和能耗约束,并给出启发式算法来计算满足时间约束和能耗约束的可行调度。最后应用一个实例模拟系统的建模和分析过程,从而直观地展示了该方法的可行性。

基于DSP的嵌入式导航计算机分布式系统设计

为满足MIMU/GPS组合导航系统的小型化、低功耗、低成本等条件,以及越来越高的精度要求,以TI公司TMS320VC5402型DSP器件为核心,设计了一种嵌入式导航计算机分布式系统。此设计可提高系统的精度,更好地满足系统实时性要求。

基于嵌入式智能控制器的分布式控制系统的研究

提出了一种基于嵌入式智能控制器的分布式控制系统,对整个系统结构和功能进行了简要介绍,并对其中的嵌入式智能控制器的构成和特点进行了详细阐述,还给出了系统实现的主要软硬件配置。

分布式嵌入式环境下的容错软件设计

在用于一些关键任务的环境中,由于软件故障而导致的后果是无法容忍的,软件容错技术应运而生而且变得越来越重要。针对分布式嵌入式环境的特点设计了一个容错软件,介绍了容错软件的结构以及各个模块的功能,并分析了节点监测、故障检测和服务迁移等关键技术。

基于嵌入式网络的数据采集与分布式计算系统

采用将网络的开放分布和DSP高速信号处理的优势相融合的技术,给出了系统详细的软硬件设计和工作原理,以及通过嵌入式网络接口与上位机通信和采用XML-Socket技术数据传输的设计和实现过程。实验验证了系统在工业环境中与多种传感器配合使用实现分布式数据采集与实时计算功能的可靠性、稳定性。

基于分布式认知理论的嵌入式信息服务研究

归纳总结了国内外关于分布式认知理论与嵌入式信息服务的研究现状,分析了分布式认知理论与嵌入式信息服务的相关性,以及嵌入式信息服务中个体基于分布式认知的交互关系,探讨了分布式认知理论对嵌入式信息服务的指导作用。

基于Petri网的分布式实时嵌入式系统的调度分析

在基于资源的Petri网建立的分布式嵌入式系统模型中,针对没有考虑并行问题的常规调度分析算法无法计算出正确的调度长度的不足,通过引入时间基准和相对于初始状态类的触发域,得到了新的适合分布式实时嵌入式系统的调度分析算法。

采用嵌入式处理器与可编程逻辑阵列的分布式圆机控制系统设计

为提高国产高档针织圆机的控制技术,针对现有圆机控制系统因采用集中式控制方式而存在系统扩展性较差,稳定性不够,控制对象复杂多样等问题,采用集中管理分散控制的分布式层次化结构体系,运用嵌入式控制技术,使用模块化电路设计方法,开发了一种基于嵌入式处理器STM32与可编程逻辑阵列(FPGA)的分布式圆机控制系统。实际应用表明,该系统不仅实现了圆机控制系统的所有功能,而且具有系统稳定性高,可扩展性好,控制容易等特点,从而极大地提高了控制系统的实时性。