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工业以太网通信技术研究与嵌入式TCP/IP协议栈开发

作　者: 李丙伟
导　师: 范铠
学　校: 华东理工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 工业以太网 控制系统集成 实时性 TCP/IP
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着工业控制理论和技术的不断进步,现场总线技术在现场控制层得到了飞速发展,现在已经成为工业控制系统现场控制层必不可少的核心技术。特别是HART现场总线,以其兼容性和过渡性协议所特有的优势,被越来越多的系统使用。工业现场总线技术的发展中出现了多种技术和应用范围各不相同的总线标准,这些标准各有所长且均具有一定的市场份额。在一个大型控制系统中,经常会出现多种控制系统共存的情况,由于技术的差异性,这些不同标准的总线之间不能直接进行互通。人们迫切需要一种标准能实现系统集成。由于一系列的因素,工业以太网技术和OPC技术成为了解决这一问题的热点。本文首先对本课题的研究背景和意义进行了介绍,然后较详细了介绍了与本课题息息相关的以太网协议以及实时性技术发展状况,之后,本文依次按照课题的进展顺序,依次阐述了协议栈开发,实时性分析,应用层OPC软件开发三部分的内容。由于系统资源有限,操作系统的差异,以及商用以太网协议栈在实时性、可靠性和安全性等性能存在的缺陷等一系列原因,本课题重新设计开发了协议栈,按照OSI七层参考模型进行设计开发,编程语言全部为C语言。工业通讯传输的数据对象通常都参与控制系统闭环控制回路,数据通常要求具有较高的实时性,在某些场合,甚至要求数据的时间延迟达到几毫秒的级别,因此,工业以太网通信的实时性问题尤为重要。本文第四章主要进行了工业以太网实时性技术的分析与设计,从而保证在最终搭建的系统中数据传输的实时性。最后,本文阐述了工作于开发的协议栈应用层软件——OPC Server开发过程和OPC技术的特点。最后形成了使用Ethernet加OPC技术进行系统集成的系统结构。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 工业控制系统通信技术概述  9
  1.2 现场总线和工业以太网通信  9-10
  1.3 课题研究背景及国内外相关技术发展状况  10-12
  1.4 课题研究的目的和意义  12-13
  1.5 内容及章节安排  13-14
第2章 相关技术介绍  14-26
  2.1 工业以太网技术  14-18
    2.1.1 以太网通信与工业以太网  14-15
    2.1.2 工业以太网发展现状  15-16
    2.1.3 现有工业以太网标准  16-18
  2.2 工业以太网关键技术  18-20
    2.2.1 实时性和时间确定性  18
    2.2.2 网络可靠性  18-20
    2.2.3 网络安全性问题  20
  2.3 TCP/IP协议族  20-22
    2.3.1 TCP/IP协议栈  20
    2.3.2 各层介绍  20-22
  2.4 课题开发的软硬件环境介绍  22-25
    2.4.1 硬件环境介绍  22-24
    2.4.2 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章 嵌入式TCP/IP协议栈设计与开发  26-46
  3.1 概述  26
  3.2 总体方案设计  26-27
  3.3 网络接口层设计与实现  27-31
  3.4 网络层设计与实现  31-38
    3.4.1 ARP协议设计与实现  32-34
    3.4.2 网际协议设计与实现  34-37
    3.4.3 ICMP协议设计与实现  37-38
  3.5 传输层设计与实现  38-45
    3.5.1 UDP设计与实现  39-41
    3.5.2 TCP设计与实现  41-44
    3.5.3 Socket应用编程接口设计与实现  44-45
  3.6 本章小结  45-46
第4章 以太网通信的实时性分析  46-53
  4.1 工业通信数据特性分析  46
  4.2 数据传输过程时延分析  46-48
  4.3 交换机数据传输时延  48-50
  4.4 节点数据发送速率限制  50-51
  4.5 实验验证  51-52
  4.6 本章小结  52-53
第5章 应用层程序开发—HART OPC SERVER  53-63
  5.1 OPC技术与HART OPC SERVER  53-55
    5.1.1 OPC技术  53
    5.1.2 HART OPC Server  53-55
  5.2 HART OPC SERVER与多路复用器通信解析  55-58
  5.3 OPC SERVER开发  58-60
    5.3.1 总体方案选定  58-59
    5.3.2 软件设计与实现  59-60
  5.4 实验验证  60-61
  5.5 本章小结  61-63
第6章 总结与展望  63-64
参考文献  64-67
攻读硕士学位期间发表的论文  67-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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