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无线HART协议的研究与实现

作　者: 文波
导　师: 廖建明
学　校: 电子科技大学
专　业: 软件工程
关键词: 嵌入式系统 无线HART 无线HART路由器 TDMA
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 197次
引　用: 4次
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内容摘要


无线HART是工业过程控制领域里和工业设备间的相互操作的标准。无线HART是对现有HART设备进行改进有效技术手段,具有足够的可靠性和自治处理能力,将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力,从而为提高生产率,改善产品质量,降低成本发挥重要作用。在无线HART应用中,无线HART协议是关键的技术点,也是应用的基础。本文通过研究无线HART,提出了实现无线HART协议的方案。采用CC2430作为无线HART的硬件,CC2430结合了行业中领先的射频2.4GHz收发器和符合IEEE 802.15.4标准协议的CC2420。为了更方便控制芯片的功耗和无线HART协议的实现,选用专用于无线传感器网络的TinyOS作为操作系统。本文的主要工作是在CC2430上基于TinyOS操作系统实现无线HART协议的物理层,数据链路层,以及网络层。详细阐述了物理层实现过程中的几个关键点。如链路质量指示,空闲信道评估(CCA),频率和信道编程设置,物理层收发模块接口,载波侦听多点接入/冲突检测CSMA/CA等。分析了数据链路层实现的关键点。如TDMA状态机的实现,跳频算法;阐述了数据链路层提供的服务接口的定义,接口的参数说明,接口的功能说明,以及数据传输服务的时序。在无线HART网络层实现关键点,路由算法通过BFS树,网络管理者计算出每个节点到网关的路由路径;阐述了新设备加入网络时,新设备的通信路径的处理过程。本文所实现的无线HART协议是无线HART应用基础,可以作为一个独立的模块使用。在此基础上可以实现无线HART网络组件,如网关,适配器,智能现场设备等。为无线HART在国外的推广应用起到一定推动作用。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 课题背景  10-13
    1.1.1 HART 的概述及其发展历程  10-11
    1.1.2 无线HART 的概述及其发展历程  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 课题研究背景及意义  14-15
  1.4 本文研究的目的和研究内容  15-16
第二章 无线传感器网络技术概述  16-25
  2.1 ISA100  16-17
  2.2 ZigBee  17-18
  2.3 无线HART  18-20
  2.4 几种无线协议区别  20-24
    2.4.1 无线HART 和ZigBee 的比较  20-22
    2.4.2 无线 HART 和 ISA100 的比较  22-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章 嵌入式系统开发平台  25-33
  3.1 硬件设计  25-27
  3.2 无线网络操作系统TinyOS  27-29
    3.2.1 TinyOS 的任务调度机制  27-28
    3.2.2 TinyOS 的消息通信机制  28-29
  3.3 nesC 语言分析  29-32
    3.3.1 nesC 的接口  29-30
    3.3.2 nesC 的组件  30-31
    3.3.3 组件的配线  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第四章 无线 HART 协议的研究  33-49
  4.1 物理层的研究  33-35
    4.1.1 物理层接口  33
    4.1.2 物理层数据格式  33-35
  4.2 数据链路层的研究  35-44
    4.2.1 TDMA  36-38
    4.2.2 时隙  38-39
    4.2.3 TDMA 状态机  39-41
    4.2.4 链路层报的格式  41-44
  4.3 网络层的研究  44-48
    4.3.1 路由算法分析  45-47
    4.3.2 网络层的数据包格式  47-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章 无线HART 协议实现  49-71
  5.1 物理层实现  49-57
    5.1.1 CC2430 无线收发器  49
    5.1.2 接收信号强度指示器  49-50
    5.1.3 链路质量指示  50
    5.1.4 空闲信道评估  50-51
    5.1.5 频率和信道编程设置  51
    5.1.6 输出功率编程设置  51-52
    5.1.7 载波侦听多点接入冲突检测  52-54
    5.1.8 物理层收发接口  54-55
    5.1.9 物理层的服务  55-57
  5.2 数据链路层实现  57-66
    5.2.1 数据链路层中通信链路的实现  57-60
    5.2.2 消息服务  60-64
    5.2.3 链路层管理服务  64-66
  5.3 网络层实现  66-70
    5.3.1 数据服务  66-68
    5.3.2 管理服务  68-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章 无线 HART 路由器的实现  71-77
  6.1 物理层模块构成  71-72
  6.2 数据链路的模块构成  72-73
  6.3 网络层路由应用模块构成  73-74
  6.4 测试  74-76
  6.5 本章小结  76-77
第七章 结论与展望  77-79
  7.1 总结  77-78
  7.2 展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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