基于前端智能设备与TCP/IP的嵌入式网关设计与实现

论文摘要

前端智能设备协议的制定解决了通信电源生产厂家接口不一致问题,但作为现场设备层协议,其远程监控拓展范围很有限。近年来,工业以太网正逐步进入工业控制领域,但将其完全应用于现场设备层仍存在着实时性差、可靠性和安全性弱等不足。因此,现场总线与工业以太网必将长期并存。对于目前多种网络并存的现状,网关是一种解决方案。本文立足于实际工程需求,设计了一种基于前端智能设备与TCP/IP的嵌入式网关,实现了对前端智能设备的远程监控。首先,根据网关工作原理,提出了基于前端智能设备与TCP/IP的嵌入式网关协议模型,为网关的硬件设计、系统软件裁剪和移植、应用软件设计提供了理论依据。根据网关协议模型中链路层要求,设计了网关系统板和接口板,并特别针对网关工业应用环境和系统板高频工作特性,选用光电隔离、多层PCB、多点接地的设计方法,从一定程度上提高了硬件抗干扰能力。其次,基于网关硬件,依次移植和开发了系统软件和应用软件。通过分析系统装载程序U-Boot启动流程进而绘制了启动流程图,并将U-Boot移植到嵌入式网关板。利用嵌入式操作系统uClinux的（?）nake menuconfig方式对其进行配置和粗粒度裁剪,并最终移植到由U-Boot引导的嵌入式网关板上,为网关应用软件搭建了适宜的运行环境。在系统软件的基础上设计了网关应用软件,通过理论分析进程和线程、TCP和UDP对系统性能的影响,选用线程这种轻量级的多任务方式和传输效率较高的UDP传输层协议,完成了协议转换基本功能。在命令线程和应答线程中加入了线程同步机制,使两个线程有序访问RS-485接口这一共享资源。通过理论和实验比较单播、广播和多播的优劣,选择多播应用于网关,使其支持站点层冗余的前端智能设备监控系统。最后,将该网关应用于站点层冗余的前端智能设备集中监控系统,在系统长时间的运行中,网关软硬件都表现出较好的可靠性和稳定性,验证了该设计的可行性和正确性。本设计完成的网关,一方面解决了前端智能设备远程监控的问题,另一方面为实现工业以太网与现场总线的互联互通提供了一定参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容和组织结构
• 第2章 嵌入式网关及其协议
• 2.1 嵌入式系统
• 2.1.1 嵌入式系统概述
• 2.1.2 嵌入式处理器
• 2.1.3 嵌入式操作系统
• 2.2 嵌入式网关
• 2.3 前端智能设备协议
• 2.3.1 协议简介
• 2.3.2 帧格式
• 2.4 TCP/IP协议
• 2.4.1 TCP/IP协议族
• 2.4.2 以太网帧封装
• 2.5 本章小结
• 第3章 网关硬件设计与实现
• 3.1 系统硬件架构
• 3.2 系统板设计
• 3.2.1 CPU电路
• 3.2.2 Flash电路
• 3.2.3 SDRAM电路
• 3.2.4 其他电路
• 3.3 接口板设计
• 3.3.1 电源电路
• 3.3.2 以太网接口电路
• 3.3.3 串行接口电路
• 3.4 PCB板设计
• 3.4.1 抗干扰设计
• 3.4.2 工艺设计
• 3.5 硬件测试
• 3.5.1 电源测试
• 3.5.2 时钟测试
• 3.5.3 串口测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 网关系统软件设计与实现
• 4.1 软件系统结构
• 4.2 开发环境搭建
• 4.3 U-Boot移植
• 4.3.1 U-Boot简介
• 4.3.2 U-Boot移植
• 4.3.3 U-Boot烧录和测试
• 4.4 uClinux移植
• 4.4.1 uClinux简介
• 4.4.2 uClinux移植
• 4.4.3 uClinux烧录和测试
• 4.5 本章小结
• 第5章 网关应用软件设计与实现
• 5.1 开发调试环境搭建
• 5.2 协议转换功能设计
• 5.2.1 软件总体设计
• 5.2.2 命令线程和应答线程设计
• 5.2.3 功能测试
• 5.3 冗余研究与实现
• 5.3.1 站点层冗余的监控系统
• 5.3.2 UDP包发送方式
• 5.3.3 性能测试
• 5.3.4 结论
• 5.4 网关在监控系统中应用
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的论文