片上网络化运动控制器的设计与实现研究

论文摘要

运动控制器在工业、国防和人们的日常生活中有着广泛的应用。然而，目前常用的运动控制器的体系结构存在很多缺陷，如体积过大，不支持网络通信。针对这些问题，本文结合最新出现的系统芯片(SoC)技术和嵌入式Internet技术，对运动控制器的体系结构进行研究。本文首先对SoC技术和嵌入式Internet技术这两种新技术进行讨论。嵌入式Internet技术分为集中式和分布式两种。比较而言，分布式技术在系统成本、开放性、移动性方面具有较大优势。常用的SoC设计方法有基于IP核和基于平台两种。本文对这两种方法进行分析，指出采用基于平台的设计方法在完全可编程平台上完成SoC的设计既具有基于平台的设计方法的降低设计复杂度的优点，又具有基于IP核的设计方法的高灵活性。通过上述分析，本文将SoC技术和分布式嵌入式Internet技术结合起来，对运动控制器的体系结构进行研究，提出一种片上网络化运动控制器的体系结构，支持基于Internet的远程运动控制功能，并在Altera公司推出的完全可编程平台EPXA1开发板(Excalibur芯片系列)上实现了它的原型系统：SoC_Eweb_step。SoC_Eweb_step采用SoC技术，将控制器的大部分功能在单个芯片上实现，具有功耗低、体积小的优点；同时采用分布式嵌入式Internet技术，通过在Excalibur芯片内嵌的处理器上运行嵌入式Web Server，实现网络通信功能。在构造原型系统的过程中，本文对TCP/IP协议栈进行裁减，设计并实现了一个嵌入式Web Server：Eweb，它适合于数据量小、数据报短的应用环境。本文最后搭建了一个测试平台，从远程控制、网络安全性和参数配置三方面对原型系统进行测试。结果表明：用户能通过浏览器发送命令实现对电机的远程控制；能通过Windows下的超级终端实现对系统网络参数的配置：SoC_Eweb_step不接受非远程控制员发出的IP包，从而避免黑客攻击。测试结果验证了所提出的体系结构的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1. 1 项目来源
• 1. 2 目的和意义
• 1. 3 本文主要工作
• 1. 4 论文结构
• 第2章 相关工作及背景
• 2. 1 引言
• 2. 2 嵌入式Internet技术
• 2. 2. 1 集中式嵌入式Internet技术
• 2. 2. 2 分布式嵌入式Internet技术
• 2. 2. 3 嵌入式Internet技术实现方法的比较
• 2. 3 SoC设计方法研究
• 2. 3. 1 基于IP核的SoC设计方法
• 2. 3. 2 基于平台的SoC设计方法
• 2. 4 小结
• 第3章 片上网络化运动控制器的设计方法及开发流程
• 3. 1 引言
• 3. 2 Altera公司的Excalibur芯片介绍
• 3. 3 EPXA1开发板介绍
• 3. 4 开发流程设计
• 3. 5 小结
• 第4章 片上网络化运动控制器的设计与实现
• 4. 1 引言
• 4. 2 融合两种新技术的运动控制器体系结构
• 4. 3 总体设计方案
• 4. 4 SoC Eweb step中的安全机制
• 4. 5 SoC Eweb step的硬件结构
• Eweb_step的软件结构'>4. 6 SoC_Eweb_step的软件结构
• 4. 6. 1 各软件模块的设计与实现
• Eweb_step的数据流程'>4. 7 SoC_Eweb_step的数据流程
• 4. 8 小结
• 第5章 嵌入式Web Server：Eweb的设计与实现
• 5. 1 引言
• 5. 2 TCP／IP协议分析
• 5. 3 TCP／IP协议裁减方案
• 5. 4 Eweb的实现
• 5. 4. 1 Eweb的总体结构
• 5. 4. 2 ARP协议的实现
• 5. 4. 3 IP协议的实现
• 5. 4. 4 ICMP协议的实现
• 5. 4. 5 TCP协议的实现
• 5. 4. 6 HTTP协议的实现
• 5. 5 小结
• 第6章 测试结果与分析
• 6. 1 引言
• 6. 2 测试环境的搭建
• Eweb_step功能测试'>6. 3 SoC_Eweb_step功能测试
• 6. 3. 1 远程运动控制功能测试
• 6. 3. 2 网络安全性功能测试
• 6. 3. 3 参数配置功能测试
• 6. 4小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读硕士期间发表论文目录）