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分布式网络控制系统研究与设计

作　者: 刘连卫
导　师: 王辉
学　校: 湖南大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 分布式控制 嵌入式系统 SMBus总线 TCP/IP
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 278次
引　用: 1次
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内容摘要


我国中小型企业众多,而且普遍面临着资金短缺、技术匮乏、整体控制水平不高等方面的问题,因此低成本的工业控制自动化系统成为众多企业的首选。在目前工控机成本相对较高的情况下,采用嵌入式技术设计分布式网络控制系统,既可以满足控制要求,同时又能有效地降低成本,这对于提高企业经济效益,以低投入取得高产出和缩短投资回收期等都具有十分重要的意义。 本文通过对小型工业过程控制系统需求进行深入分析的基础上,设计了控制系统的整体架构,研制了现场控制器的硬件系统。控制网络系统采用三层结构,核心是直接控制工业过程的现场控制层。现场控制层主控制器采用模块化设计方式,模块之间采用总线互连。主控制CPU选用的是高性能的32位嵌入式ARM核处理器芯片,模块间通信总线选用SMBus串行总线。 现场控制器软件系统采用嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅱ作为系统软件平台。在嵌入式实时多任务环境下采用面向任务对象的思想开发现场控制层应用程序,一方面可以充分发挥CPU的性能,同时又大大降低了软件开发和维护的难度。另外针对网络协议的需要扩展了内存管理器和系统时钟管理器,采用多粒度差值定时器管理外部定时事件,简化了多定时事件的处理过程。 为了满足控制层网络通信带宽的要求,现场控制器与监控主机采用以太网组网,上层网络通信协议采用TCP/IP协议。在对TCP/IP协议栈深入分析的基础上对其进行精简,剔除不需要的协议,简化了部分协议的实现方式,使其适应嵌入式应用环境。通过采用以太网及TCP/IP协议,监控主机不需要设计复杂的硬件即可简洁方便的对现场控制器进行监控。

全文目录


摘要  7-8
Abstract  8-9
第1章 绪论  9-14
  1．1 研究背景  9
  1．2 控制系统的发展及现状  9-13
  1．3 本文研究的目的和内容  13-14
第2章 分布式网络控制系统总体设计  14-21
  2．1 工业过程控制系统分层结构  14-15
  2．2 YFTDS分布式网络控制系统的总体结构  15-20
    2．2．1 现场控制层  15-20
    2．2．2 监控层  20
    2．2．3 管理层  20
  2．3 本章小结  20-21
第3章 主控制器硬件设计  21-32
  3．1 主控单元硬件设计  21-29
    3．1．1 CPU选型  21-22
    3．1．2 地址资源的分配  22-23
    3．1．3 CPU系统电路  23-24
    3．1．4 通信接口总体设计  24-25
    3．1．5 以太网接口设计  25-27
    3．l．6 CAN总线接口  27
    3．1．7 SMBus总线接口  27-29
  3．2 开关量模块硬件设计  29-30
  3．3 模拟量模块硬件设计  30-31
    3．3．1 模拟量输入模块  30-31
    3．3．2 模拟量输出模块  31
  3．4 本章小结  31-32
第4章 主控制器软件设计  32-48
  4．1 主控制器软件结构  32
  4．2 嵌入式实时操作系统的特点  32-33
  4．3 μC/OS-Ⅱ嵌入式实时系统分析  33-38
    4．3．1 任务状态  34
    4．3．2 就绪表  34-35
    4．3．3 实时性分析  35-38
  4．4 操作系统在AT91FR40162上的移植  38-39
    4．4．1 操作系统文件的层次结构  38-39
    4．4．2 操作系统在AT91FR40162上的堆栈结构  39
  4．5 内存管理的扩展  39-43
    4．5．1 μC/OS-Ⅱ内存管理  39-40
    4．5．2 动态内存管理  40-42
    4．5．3 缓冲区管理  42-43
  4．7 定时器管理  43-45
    4．7．1 差值定时计数器  43-44
    4．7．2 定时器管理  44-45
    4．7．3 定时器任务用到的主要数据结构  45
  4．8 系统任务的划分  45-47
  4．9 本章小结  47-48
第5章 网络通信协议  48-73
  5．1 网络协议  48-51
    5．1．1 TCP/IP分层模型  48-49
    5．1．2 TCP/IP与OSI参考模型的对应关系  49
    5．1．3 TCP/IP基本协议及针对嵌入式环境的裁剪  49-51
  5．2 μC/OS-Ⅱ中TCP/IP协议的实现方案  51-52
  5．3 网络接口  52-54
  5．4 ARP协议  54-56
    5．4．1 ARP功能概述  54-55
    5．4．2 ARP协议的软件实现  55-56
  5．5 Internet控制报文协议ICMP  56-57
    5．5．1 ICMP的报文格式和行为  56-57
    5．5．2 ICMP的软件结构  57
  5．6 TCP协议  57-68
    5．6．1 功能概述  57-60
    5．6．2 协议控制块  60-63
    5．6．3 TCP有限状态机  63-65
    5．6．4 TCP主要函数设计  65-68
  5．7 UDP协议详细设计  68-69
  5．8 IP协议的实现  69-70
  5．9 Socket接口  70-72
    5．9．1 Socket接口对TCP/IP协议的封装  71-72
  5．10 本章小结  72-73
第6章 监控组态  73-79
  6．1 组态的基本概念  73
  6．2 YFTDS分布式控制系统组态软件  73-75
  6．3 控制算法组态软件设计  75
  6．4 设备驱动程序与组态软件接口OPC技术  75-78
    6．4．1 OPC技术的产生  75-76
    6．4．2 OPC规范概述  76-77
    6．4．3 OPC的访问关系  77-78
  6．5 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)  85

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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 > 计算机控制、计算机控制系统
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