异构工业控制网络集成架构的研究与设计

论文摘要

近年来,现代工业过程与生产现场日益复杂,使得原有的有线网络系统已经很难或无法满足工业现场设备通信的需求。与此同时,无线通信与网络技术飞速发展,其应用已逐步进入到现代化的工业制造领域。然而,面向工业应用的无线通信与网络技术尚不成熟、完善,在未来的很长一段时间,还无法完全取代工业现场的有线网络通信系统。因此,对于无线与有线通信网络的集成与融合的研究就显得尤为必要。IEEE 802.15.4a是最新发布的适合工业应用的无线通信协议标准,其物理层的切普扩频技术能够有效抑制工业环境中的噪声和电磁干扰。为了推动和促进IEEE 802.15.4a无线通信网络技术在工业现场控制与制造领域的实际应用,本文开展了对于IEEE 802.15.4a无线通信网络与当前工业现场的有线网络系统集成架构的研究。本文首先介绍了IEEE 802.15.-4a标准、工业以太网、以及几种无线/有线异构网络的集成技术。随后介绍了一种基于令牌控制的无线工业控制网络（WICN） MAC层协议,详细阐述了该协议的帧格式、组网规则以及运行机制。然后,针对令牌控制的无线工业来控制网络（WICN）与有线以太网,提出了一种无线/有线异构工业控制网络的传输层集成架构,并设计了基于共享数据区的数据存储模型和基于数据映射的协议转换与数据转发机制。基于该集成架构的协议转换器包括无线工业控制网络（WICN）主站模块与TCP服务器端模块,它们拥有各自独立的输入缓冲区和输出缓冲区。协议转换器还设立一个公共的共享数据区,该共享数据区分为上行链路数据存储区和下行链路数据存储区,用于进行WICN主站模块数据缓冲区与TCP服务器端模块数据缓冲区之间的数据映射。最后,设计了基于ARM9 （S3C2440）芯片与WinCE5.0操作系统的协议转换器软、硬件系统,并组建了实验测试系统,进行了协议转换器的相关测试。文中所设计的无线/有线异构网络集成架构可以用于基于令牌的无线工业控制网络（WICN）与有线以太网的集成,为该异构工业控制网络中的各个站点提供自由、灵活的数据交换服务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 课题来源
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文研究内容与结构
• 2 异构工业控制网络相关技术
• 2.1 IEEE 802.15.4a标准
• 2.1.1 切普扩频技术
• 2.1.2 IEEE 802.15.4标准
• 2.2 工业以太网
• 2.3 异构网络集成技术
• 2.3.1 应用层集成模式
• 2.3.2 物理层集成模式
• 2.3.3 网关法集成模式
• 2.4 本章小结
• 3 异构工业控制网络集成架构设计
• 3.1 基于令牌的无线MAC层协议
• 3.1.1 基于令牌的无线工业控制网络拓朴结构
• 3.1.2 WICN协议栈模型
• 3.1.3 WICN协议帧格式
• 3.1.4 逻辑环路的建立与网络的运行
• 3.2 TCP协议
• 3.3 网络集成架构与协议转换机制
• 3.3.1 异构网络拓朴结构
• 3.3.2 协议转换器协议栈模型
• 3.3.3 协议转换器数据存储模型
• 3.3.4 协议转换机制
• 3.4 本章小结
• 4 协议转换器软硬件设计
• 4.1 系统总体设计
• 4.2 协议转换器硬件系统设计
• 4.2.1 硬件体系结构设计
• 4.2.2 电源模块设计
• 4.2.3 无线通信模块设计
• 4.2.4 以太网通信模块设计
• 4.3 协议转换器软件系统设计
• 4.3.1 操作系统与软件架构
• 4.3.2 硬件流接口驱动程序设计
• 4.3.3 嵌入式协议转换软件设计
• 4.4 本章小结
• 5 系统测试
• 5.1 测试系统配置
• 5.2 测试参数设置
• 5.3 系统功能测试
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢