嵌入式Linux平台下RTU虚拟机系统设计与实现

论文摘要

本课题由上海市高校科技发展基金项目“储罐远程监控单元(RTU)”、上海师范大学科研成果产业化(中试)项目和上海师大青年基金项目“新型SCADA系统的研制和应用”立项和资助。研发目标是设计一种能在无人职守的工业环境中长期稳定工作的新型RTU,作为构成SCADA系统的核心设备,完成遥控、遥测、遥信、摇调功能。中试项目将设计开发的RTU命名为UPRTU。作者承担的是该项目的一个子课题。作者完成的课题是在嵌入式Linux开发平台上为UPRTU设计一个RTU的运行环境(RTU虚拟机系统)。作者采用面向对象的设计方法对RTU虚拟机系统进行了总体设计,在此基础上采用模块化设计的方法,把RTU虚拟机系统分解成RTU指令解释和执行模块、实时监控模块、文件传输模块、I/O管理模块以及RTU虚拟机系统的管理模块,分别进行设计和实现。联机调试结果表明,作者设计并实现的RTU虚拟机系统能正确的完成RTU程序的解析和执行功能,并能正确地与RTU集成开发环境完成程序文件的上传/下载,同时能够协助RTU集成开发环境实时监控RTU的运行。在嵌入式Linux操作系统上设计实现RTU虚拟机系统,是嵌入式系统应用于工控领域中的一个成功的尝试,对于类似的工控产品的研发有一定的借鉴意义。本课题成果在以下几个方面有一定新意:1)提出了一种解释处理梯形图程序的“中间文件”的研发方案,经实践证明具有很好的效果。2)开源的Linux操作系统成功应用于RTU虚拟机的开发,拓宽了Linux操作系统的应用领域。3)研发的RTU虚拟机有很好的跨平台性和很好的可扩展性。4)把程序文件的上传/下载协议作为MODBUS子集实现。MODBUS标准协议并未提供文件传输功能,本文通过扩展MODBUS协议实现该功能。本文实现的RTU虚拟机系统已在UPRTU中得到应用。本课题设计、研发的UPRTU样机通过了测试。样机测试表明其性能指标达到原设计目标,符合应用需求,在国内同类技术中处于先进水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 项目背景和来源
• 1.2 本课题的内容和意义
• 1.3 作者完成的具体工作
• 1.4 论文的内容安排
• 第二章 RTU 虚拟机系统基本知识与开发平台
• 2.1 基本知识
• 2.1.1 虚拟机概念
• 2.1.2 RTU 的虚拟机
• 2.2 RTU 虚拟机系统运行平台
• 2.2.1 硬件平台
• 2.2.2 软件平台
• 2.3 Linux 驱动程序设计
• 第三章 RTU 虚拟机系统的总体设计
• 3.1 设计目标
• 3.2 设计思想
• 3.3 UPRTU 软件架构设计
• 3.3 RTU 虚拟机系统总体设计
• 3.4 指令集设计
• 3.5 “中间文件”执行流程
• 第四章 RTU 虚拟机系统实现
• 4.1 上下文通信协议实现
• 4.1.1 Modbus 通信协议
• 4.1.2 Modbus 指令集
• 4.1.3 文件传输协议
• 4.2 解释执行“中间文件”
• 4.2.1 “中间文件”格式定义
• 4.2.2 “中间文件”载入
• 4.2.3 “中间文件”执行
• 4.2.4 RTU 虚拟机系统结构
• 4.2.5 可定制模块实现
• 4.3 相关驱动程序设计与实现
• 4.3.1 CAN 总线驱动程序设计与实现
• 4.3.2 同步动态随机存储器（SDRAM）驱动设计与实现
• 4.3.3 看门狗（Watchdog）驱动程序设计与实现
• 第五章 系统联调、测试及结果分析
• 5.1 通信测试
• 5.1.1 Modbus RTU 测试
• 5.1.2 CANBUS 以及UPCANBUS 测试
• 5.1.3 以太网测试
• 5.2 系统联调
• 5.3 系统效率测试
• 5.3.1 启动时间
• 5.3.2 最小扫描周期
• 5.3.3 指令执行时间
• 5.4 稳定性要求和测试结果
• 5.5 样机实物照片
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.1.1 完成的主要工作
• 6.1.2 本课题的理论意义与实用价值
• 6.1.3 本课题的成果
• 6.1.4 项目的主要创新点
• 6.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间取得的研究成果