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嵌入式异构通讯网关

作　者: 郑东跃
导　师: 陈双叶
学　校: 北京工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 多协议转换现场总线以太网网关 BEB
分类号: TN915.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着工业技术的发展，工业现场设备网络化、计算机管理与控制远程化已经成为一个新的发展趋势。但在传统的仪器仪表设备等现场设备中，多数现场设备仅采用RS485接口或CAN通讯接口，而RS485总线网络与CAN总线网络两种异构总线网络只能在一定距离范围内各自通讯，无法完成互联互通、信息分享。而以太网技术的高速发展，为现场设备联网、远程控制提供了技术基础。本文设计了一种基于LM3S8962微处理器的嵌入式异构通讯网关，解决了工业底层设备在异构网络无法相互通讯，满足了传统工业底层设备接入以太网的需求，达到信息共享的目的。本文首先对嵌入式异构通讯网关进行整体方案进行设计，分析了Modbus标准协议以及CAN总线数据协议帧格式。并在此基础上，对异构通讯网关需要实现的功能进行理论设计。通过通讯网关内数据的封装与传递过程来说明协议转换设计。针对软件的通用性做了分层设计，设计了中间件协议转换方案、数据流的处理进程；之后又提出了缓冲区和寄存器映射的方式来解决异构网络中速率不匹配的难点。然后，论文设计了异构通讯网关的电路。LM3S8962最小系统电路的实现保障了处理器运行的基本功能，外围功能电路的实现满足了通讯网关的接口功能，包括CAN总线接口电路、RS485接口电路、以太网接口电路、EEPROM存储器电路、大型Flash内存接口电路等功能；提出嵌入式异构通讯网关的软件总体框架与具体实现方案，包括uC/OS-II嵌入式实时操作系统的在LM3S8962微处理器上的移植，嵌入式TCP/IP协议栈LWIP的移植、TCP通讯链接的建立。设计了中间件协议格式转换程序、总线设备寄存器映射方案与控制命令操作缓冲队列。之后，论文通过对以太网冲突检测机制——CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）的工作原理与冲突碰撞仲裁算法——二进制指数后退算法BEB的分析，针对其碰撞退避算法BEB的局限性，提出了一种改进的BEB算法。并使用数学仿真模拟软件matlab对改进BEB算法进行仿真验证，得出在负荷较重的情况下，平均排队延迟时间有所减小，并降低了以太网终端发送数据碰撞的概率，对以太网实时性有一定的提高。最后以工业电伴热带为底层设备进行实验测试，嵌入式异构通讯网关在异构网络通讯中，稳定性与实时性达到设计要求，有效解决在异构网络多主站设备中现场总线通讯冲突的问题，完成异构网络间多协议数据帧的相互转换与通讯。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景及意义  11-14
    1.1.1 工业网络技术应用现状  11-13
    1.1.2 异构通讯网关需求分析  13-14
    1.1.3 研究意义  14
  1.2 国内外研究现状  14-15
  1.3 主要工作及论文安排  15-16
  1.4 本章小结  16-17
第2章网关通讯协议分析及通讯网关模型  17-31
  2.1 Modbus 协议栈设计  17-21
    2.1.1 MODBUS 协议概述  17-18
    2.1.2 Modbus 报文格式  18-20
    2.1.3 Modbus 主站设计  20-21
    2.1.4 Modbus 从站设计  21
  2.2 CAN 数据协议  21-23
    2.2.1 数据帧  22-23
    2.2.2 远程帧  23
    2.2.3 错误帧  23
    2.2.4 过载帧  23
  2.3 通讯网关模型  23-30
    2.3.1 协议转换模型介绍  24-26
    2.3.2 网关协议转换模型  26
    2.3.3 中间件协议转换设计  26-28
    2.3.4 异网速度匹配  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章嵌入式异构通讯网关的设计与实现  31-55
  3.1 整体硬件架构  31-32
  3.2 LM3S8962 微控制器  32-34
  3.3 外围电路设计  34-39
    3.3.1 系统调试接口电路  34
    3.3.2 电源模块电路  34-35
    3.3.3 通讯接口电路  35-37
    3.3.4 数据存储电路  37-38
    3.3.5 下位机设备  38-39
  3.4 嵌入式异构通讯网关的软件设计  39-54
    3.4.1 uC/OS-II 在 LM3S8962 上的移植  39-42
    3.4.2 LWIP 在 uC/OS-II 操作系统上的移植  42-44
    3.4.3 TCP 数据的链接  44-48
    3.4.5 协议格式转换程序设计  48-50
    3.4.6 总线设备寄存器映射设计  50-53
    3.4.7 控制命令缓冲队列的设计  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章网关以太网实时性分析与改进  55-65
  4.1 CSMA/CD 检测与 BEB 算法  55-57
    4.1.1 CSMA/CD 检测  55-56
    4.1.2 BEB 算法  56
    4.1.3 BEB 算法的局限性  56-57
  4.2 以太网延迟分析  57-58
  4.3 以太网通信实时性的一些方案  58-59
  4.4 BEB 算法的改进与 matlab 仿真  59-63
    4.4.1 BEB 算法的改进  59-61
    4.4.2 改进 BEB 算法 Matlab 仿真  61-63
  4.5 本章小结  63-65
第5章网关通讯测试与分析  65-71
  5.1 测试环境的搭建  65-67
    5.1.1 测试硬件环境  65-67
    5.1.2 测试软件环境  67
  5.2 TCP 连接建立  67-69
  5.3 本章小结  69-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间的成果  77-79
致谢  79

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