远程网络化测控系统研究与设计

论文摘要

网络化测控是测控系统的一个重要发展方向。网络化测控系统能实现远程分布式测控,可极大地提高生产效率及实现信息资源共享,受到国内外科学家们的高度重视和广泛研究。但目前还没有达到工程实用化,有许多问题需要进一步解决。国内的网络测控系统主要是以现场总线为基础的专用测控系统,不能实现信息共享和远程分布式测控。为此,本文采用工业以太网、总线网关（现场总线到以太网转换器）和Internet技术来研究远程网络化测控系统的实现。论文依据网络化测控系统的构成原理（传感器、执行器和控制器都是网络中的一个节点）设计了基于嵌入式技术的网络传感器、执行器和控制器,构建了一个远程过程测控实验系统。嵌入式网络传感器与执行器以ADuC832为核心,采用总线式积木架构,可根据需要扩展采集、传输、控制等单元。并在ADuC832系统上实现μC/OS-II操作系统和μIP协议。以太网的接入通过RTL8019芯片;针对温度、压力、流量、转速等信息的采集与控制,分别设计了对应的独立模块,系统根据实际需要进行组装。采用ARM最小系统和嵌入式实时操作系统实现了控制器。ARM最小系统以LPC2220为核心,扩展了DM9000网络接口、256M RAM和32M FLASH ROM等,并在其上实现RTLinux操作系统。使用SSD1921芯片实现图像采集与监控功能。研究了一种网络远程控制算法。通过分析Internet/Intranet网络中出现的网络延时、数据紊乱和数据丢失等问题,引入时间序列分析方法,提出改进DMC预测控制思想。将采集数据扩展到时域空间,采用数据重组、线性插值,有效地解决了数据紊乱、数据丢失问题;使用DMC预测控制的多步预测值,减小网络延时对系统的影响。为了验证设计的可行性,通过MATLAB/TRUETIME对整个系统进行仿真。并在不同网络性能参数的情况下,测试测控系统的稳定性。分析了系统不稳定因素,提出了解决方法。基于本文研究的嵌入式网络化测控系统,经实验和测试结果表明:嵌入式网络传感器与执行器和嵌入式控制器都与以太网连接可靠,性能稳定;改进DMC预测控制有效减小了网络延时的影响,系统在实际应用运行可靠,本设计思想可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 远程网络化测控系统的国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 远程网络化测控系统中的主要问题
• 1.4 本论文研究的主要内容、方法和技术路线
• 第二章 基于智能网络节点的远程测控系统结构
• 2.1 引言
• 2.2 系统总体设计及技术路线
• 2.2.1 总体方案
• 2.2.2 测控系统节点
• 2.2.3 算法分析与设计
• 2.3 小结
• 第三章 网络通信协议
• 3.1 引言
• 3.2 TCP/IP 协议栈和嵌入式协议栈
• 3.2.1 TCP/IP
• 3.2.2 嵌入式TCP/IP——μIP
• 3.3 现场总线通信 MODBUS 协议
• 3.4 小结
• 第四章 网络传感器与执行器节点的设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 嵌入式传感器与执行器节点的总体结构
• 4.3 高性能采集处理器 ADuC832
• 4.4 硬件组成原理
• 4.5 RTL8019AS 以太网控制器工作原理
• 4.5.1 主要性能
• 4.5.2 内部结构及寄存器
• 4.5.3 连接方式
• 4.6 信息采集与控制
• 20mA 的电流信号检测'>4.6.1 4²0mA 的电流信号检测
• 4.6.2 热电阻温度测量
• 4.6.3 低频频率信号测量
• 4.6.4 中频频率信号测量
• 4.7 嵌入式操作系统μC/OS-II 的移植与软件实现
• 4.7.1 μC/OS-II 的移植
• 4.7.2 μIP 的移植及以太网通信的实现
• 4.7.3 应用软件的编写
• 4.8 小结
• 第五章 嵌入式控制器的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 嵌入式微处理器
• 5.3 ARM 最小系统的实现
• 5.3.1 系统电源设计
• 5.3.2 系统复位设计
• 5.3.3 系统时钟设计
• 5.3.4 系统地址译码及存储器扩展
• 5.3.5 系统通信设计
• 5.3.6 系统总线及接口
• 5.4 图像采集与节点通信的实现
• 5.5 μCLinux 的移植与RTLinux 的实现
• 5.5.1 配置μCLinux
• 5.5.2 加载RTLinux 补丁
• 5.6 嵌入式 WEB 服务器的构建
• 5.7 小结
• 第六章 远程网络化过程测控系统的仿真与实现
• 6.1 引言
• 6.2 水箱控制系统的数学模型
• 6.3 PID 控制算法的实现
• 6.4 网络环境的构建及系统稳定性分析
• 6.5 动态矩阵控制算法实现及仿真
• 6.6 小结
• 第七章 总结
• 7.1 论文完成的主要工作
• 7.2 研究的关键技术和主要创新点
• 7.3 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 在学期间发表的学术论文与研究成果