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基于多异构协议的嵌入式网关设计与实现

作　者: 郭基伟
导　师: 杨素英
学　校: 大连理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 嵌入式网关 多协议转换 数据映射 命令缓冲
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


在工业控制网络领域中,过程级控制网络和现场级控制网络存在着多种异构总线,所谓异构总线即具有不同结构层和通信协议特点的现场总线。目前,工业总线控制网络中,控制设备之间的通信存在异构协议的互操作性问题,以至于影响控制网络稳定运行。解决的基本思路是以冷冻机控制器总线网络作为研究背景,采用嵌入式网关作为异构总线网络之间通信控制器,实现异构总线协议砹备之间信息交互的高效性和稳定性。通过分析工业控制网络各种设备的异构协议结构和特点,针对PROFIBUS-DP协议、MODBUS TCP协议和MODBUS RTU协议三种通信协议,以OSI通信模型为依托,建立一个多异构总线协议网关的通信模型。根据模型的组成特点,提出以数据映射管理和命令缓冲运行机制为核心的多总线异构协议通信解决方案。在此基础上,设计以ARM7微处理器为核心的嵌入式网关通信控制器,将过程级设备的通信作为网关的主站,而现场级设备作为网关的从站。数据映射管理思路是将现场级不同设备的控制参数,按规定地址空间保存,命令缓冲运行机制是一种对过程级设备的通信数据采用队列方式,分时发送,从而解决多异构协议设备的通信并发运行。针对异构协议的报文数据格式各不相同问题,利用数据结构描述报文格式,把现场级和过程级两级总线的通信报文多进程分时处理。根据实际设计需求,以嵌入式网关为通信平台,完成PROFIBUS-DP总线、以太网和RS485总线三种协议的数据通信,进一步为方便过程级总线的HMI设备对现场级总线设备的访问,开发了MODBUS从站扩展接口,有效的解决了多种异构总线通信时的报文冲突问题。实验测试运行表明,嵌入式网关在异构总线设备的通信过程中,实时性和稳定性能够达到与其设计要求,有效的解决异构多总线协议命令报文在现场级总线通信时序冲突的问题,提高了多协议命令报文通信传输效率和可靠性。目前,该网关已经在冷冻机控制器总线网络中投入使用。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-12
  1.1 选题背景及意义  9-10
  1.2 嵌入式网关应用现状  10-11
  1.3 论文结构  11-12
2 嵌入式网关设计方案  12-20
  2.1 现场总线协议结构分析  12-16
    2.1.1 PROFIBUS-DP协议特点  12-14
    2.1.2 MODBUS协议特点  14-16
  2.2 建立网关通信模型  16-20
    2.2.1 网关通信模型介绍  16-18
    2.2.2 多异构协议通信模型建立  18-20
3 嵌入式网关控制器设计  20-28
  3.1 嵌入式网关结构组成  20-21
  3.2 电源设计方案  21-22
    3.2.1 存在的问题  21-22
    3.2.2 解决方案  22
  3.3 PROFIBUS-DP从站设计  22-25
    3.3.1 设计思路  22-24
    3.3.2 电路设计  24-25
  3.4 以太网通信接口  25-26
  3.5 串行通信  26-28
4 多异构总线通信程序设计  28-49
  4.1 设计思路与方案  28-29
  4.2 硬件驱动层  29-34
    4.2.1 串口驱动程序  29-30
    4.2.2 以太网驱动程序  30-32
    4.2.3 PROFIBUS-DP驱动程序  32-34
  4.3 嵌入式TCP/IP协议栈程序  34-40
    4.3.1 设计要求  34-35
    4.3.2 链路层  35-36
    4.3.3 网络层  36-37
    4.3.4 传输层  37-40
  4.4 MODBUS协议栈设计  40-42
    4.4.1 MODBUS主站  40-41
    4.4.2 MODBUS从站  41-42
  4.5 应用程序层设计  42-49
    4.5.1 协议报文解析  42-44
    4.5.2 数据映射机制  44-47
    4.5.3 命令缓冲机制  47-49
5 测试与分析  49-53
  5.1 测试平台  49-50
  5.2 测试内容  50-53
    5.2.1 互通性测试  50-51
    5.2.2 实时性测试  51-53
结论  53-54
参考文献  54-56
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  56-57
致谢  57-58

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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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