基于μC/OS-Ⅱ的以太网与RS485通信网关的研究与实现

论文摘要

随着网络技术的发展,传统的工业控制系统开始向网络化和开放性发展。工业控制信息的传递与共享已不仅仅处于控制层,而是逐渐与信息网融合,为企业甚至全球的信息共享提供了巨大的便利。而以以太网为代表的信息网络以其成本低廉、通信速率高及便于信息的共享与发布等优点,被广泛应用于工控领域的管理层。控制层则多采用总线方式,其中RS485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范,已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。本文从控制网络与信息网络的发展现状出发,详细分析了现场总线与以太网的特点,介绍了一种由32位单片机并嵌入μCOS-Ⅱ实时操作系统的嵌入式网关的设计与实现方法,来解决RS485总线与以太网的通信问题。同时文章提出了一种先存后取的软件设计方法,可以有效地提高通信速度,并简化了以太网报文的数据结构及长度,使得上位机操作方便灵活,程序简短,有较好的通用性和可移植性。文章以满足实际工程应用需求为基础,首先,概述了现场总线、以太网与嵌入式的发展概况与现状,其次,详细介绍了现场总线、以太网的网络结构、工作原理,包括Modbus和TCP/IP协议规范,μCOS-Ⅱ嵌入式操作系统,在此基础上讨论了"μCOS-Ⅱ+Modbus+TCP/IP"方案的网络结构、协议转换的设计思路及网络模型。再次,详细介绍系统的硬件实现及软件设计过程,包括硬件整体架构和接口描述,给出了部分电路原理说明,系统的软件设计流程,部分代码和各模块的实现。最后,文章阐述了系统的实现和功能调试过程。对代码空间问题、系统运行效率问题以及可靠性问题进行了详细的讨论。并对调适过程中遇到的一些问题做了分析并给出了解决方案。为混合网络数据传输系统的设计提供一定的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 嵌入式系统的发展概况
• 1.2 现场总线技术的现状及发展
• 1.3 工业以太网的发展概述
• 1.4 选题意义和主要研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 本章小结
• 第二章 通信协议与μC /OS-Ⅱ操作系统介绍
• 2.1 Modbus协议概述
• 2.1.1 Modbus数据单元
• 2.1.2 Modbus标准功能码
• 2.1.3 Modbus通信透明性
• 2.2 嵌入式TCP/IP协议简化实现
• 2.2.1 链路层ARP协议
• 2.2.2 网络层IP协议
• 2.2.3 网络层ICMP协议
• 2.2.4 传输层UDP协议
• 2.2.5 传输层TCP协议
• 2.3 μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统
• 2.3.1 μC/OS-Ⅱ的基本特点
• 2.3.2 μC/OS-Ⅱ的工作原理
• 2.3.3 μC/OS-Ⅱ的启动过程
• 本章小结
• 第三章 网关硬件平台设计
• 3.1 整体硬件架构设计
• 3.2. LM3S8962微控制器
• 3.3 外围电路设计
• 3.3.1 电源模块涉及电路
• 3.3.2 系统调试接口电路
• 3.3.3 以太网接口电路
• 3.3.4 RS485接口电路
• 3.4 下位机设备选用
• 本章小结
• 第四章 嵌入式网关软件设计
• 4.1 μC/OS-Ⅱ在LM3S8962单片机上的移植
• 4.1.1 μC/OS-Ⅱ的移植步骤
• 4.1.2 μC/OS-Ⅱ的TCB结构设计
• 4.2 TCP数据发送实现
• 4.2.1 TCP数据发送流程
• 4.2.2 Socket连接程序设计
• 4.3 系统任务划分及任务之间的通信
• 4.3.1 系统总体流程
• 4.3.2 各任务间的优先级及通信
• 4.3.3 串行模块接口函数及数据处理函数
• 4.4 系统程序的总体结构布局
• 本章小结
• 第五章 功能调试结果
• 5.1 实验设计方案
• 5.2 系统初始化设置
• 5.2.1 硬件初始化及调试
• 5.2.2 通信连接的建立
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢