工控网络协议转换网关关键技术的研究
摘要
计算机和网络技术和发展，引发了控制领域深刻的技术变革，控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的潮流。工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层和执行制造层广泛应用，同时呈现出向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。目前现场总线多标准并存的现状导致的标准不统一和设备的兼容性问题，是现场总线亟待解决的问题之一。将工业以太网应用于现场级控制成为近年来工控领域的研究热点。
工业以太网标准的建立刚刚开始，获得普遍承认的国际性工业以太网的标准还没有制订出来。已有的现场总线标准仍将在较长的时间内主导市场。嵌入式网关是实现以太网与现有总线系统集成的关键环节。
本文探讨了一个基于Linux的工业协议转换网关的设计与实现。在嵌入式系统的基础上完成Modbus现场总线协议、CAN总线协议与Modbus╱TCP工业以太网协议的转换的功能。
首先，论文介绍了现场总线的现状和以太网的发展现状；对国内外工业以太网标准的制订情况做了概述。
其次，论文介绍了协议转换网关模型及系统的整体设计架构。接下来三章我们详细说明了本嵌入式工业网关的硬件设计与软件设计的实现过程，给出了部分电路原理和硬件驱动的详细实现说明，并有选择的介绍了课题中应用到的相关协议，对各协议模块的实现过程进行了详细说明，最后介绍了嵌入式WEB服务器的实现过程以及如何通过WEB服务器进行系统配置，进行程序在线升级。第七章本文对双机冗余容错技术应用于协议转换网关进行了探讨。
最后，论文对本课题进行了总结讨论，指出了后续工作中应努力提高和改善的地方。
The development of computer and network technology brings the profound technique evolution in the field of control. Networking and opening will become the main trend of construction of control system. Ethernet for industry as a new, uniform and fast developing standard, has been used widely in resource manage layer, executing layer and manufacture layer of industry corporation integrative automatization. And it also trends to extend to the area of industry fieldwork control. The field-bus' actuality of multi-standard coexisting causes problems of the compatibility of product devices. It is also one of the problems that people must deal with immediately. So, Ethernet for industry fieldwork control will become a hotspot of the industry control.
The standard of Ethernet for industry has not been established .The existing fieldbus standards will still lead the market. Embedded gateway is the key point in the integration of fieldbus and Ethernet.
This paper discusses designing and realization of an embedded industry protocol convert gateway based on Linux. It can carry out the conversion among Modbus/TCP protocol, Modbus protocol and CAN protocol.
Firstly, the paper introduces actuality of field-bus's and Ethernet's. It also tells something about founding criterion of Ethernet for industry in the world.
Secondly, the paper introduces a protocol conversion gateway model and the overall design of system architecture. In the next three chapters, the hardware and software implementation of the gateway is introduced, including some circuit design, detail hardware drivers design, related protocol used in the paper, protocol models design, embedded WEB server design , system configuration and process upgrades online. In chapter seven, dual fault-tolerance technology is discussed, for the reliability.
In the end, the paper summarizes the subject, pointing out that the follow-up work need to be enhanced and improved.
工业以太网标准的建立刚刚开始，获得普遍承认的国际性工业以太网的标准还没有制订出来。已有的现场总线标准仍将在较长的时间内主导市场。嵌入式网关是实现以太网与现有总线系统集成的关键环节。
本文探讨了一个基于Linux的工业协议转换网关的设计与实现。在嵌入式系统的基础上完成Modbus现场总线协议、CAN总线协议与Modbus╱TCP工业以太网协议的转换的功能。
首先，论文介绍了现场总线的现状和以太网的发展现状；对国内外工业以太网标准的制订情况做了概述。
其次，论文介绍了协议转换网关模型及系统的整体设计架构。接下来三章我们详细说明了本嵌入式工业网关的硬件设计与软件设计的实现过程，给出了部分电路原理和硬件驱动的详细实现说明，并有选择的介绍了课题中应用到的相关协议，对各协议模块的实现过程进行了详细说明，最后介绍了嵌入式WEB服务器的实现过程以及如何通过WEB服务器进行系统配置，进行程序在线升级。第七章本文对双机冗余容错技术应用于协议转换网关进行了探讨。
最后，论文对本课题进行了总结讨论，指出了后续工作中应努力提高和改善的地方。
The development of computer and network technology brings the profound technique evolution in the field of control. Networking and opening will become the main trend of construction of control system. Ethernet for industry as a new, uniform and fast developing standard, has been used widely in resource manage layer, executing layer and manufacture layer of industry corporation integrative automatization. And it also trends to extend to the area of industry fieldwork control. The field-bus' actuality of multi-standard coexisting causes problems of the compatibility of product devices. It is also one of the problems that people must deal with immediately. So, Ethernet for industry fieldwork control will become a hotspot of the industry control.
The standard of Ethernet for industry has not been established .The existing fieldbus standards will still lead the market. Embedded gateway is the key point in the integration of fieldbus and Ethernet.
This paper discusses designing and realization of an embedded industry protocol convert gateway based on Linux. It can carry out the conversion among Modbus/TCP protocol, Modbus protocol and CAN protocol.
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Secondly, the paper introduces a protocol conversion gateway model and the overall design of system architecture. In the next three chapters, the hardware and software implementation of the gateway is introduced, including some circuit design, detail hardware drivers design, related protocol used in the paper, protocol models design, embedded WEB server design , system configuration and process upgrades online. In chapter seven, dual fault-tolerance technology is discussed, for the reliability.
In the end, the paper summarizes the subject, pointing out that the follow-up work need to be enhanced and improved.
引文
[1] 龙姿平．以太网：现场总线之争的解决方案．国内外机电一体化技术，1999，2(4)：64-66．
[2] 林强．现场总线及其网络集成．测控技术，1999，18：(5)，24-27．
[3] 冯冬芹，金建祥．浅谈以太网应用于工业现场的关键技术．世界仪表与自动化，2002，(4)：8-13．
[4] 魏庆福．现场总线技术的发展与工业以太网综述．工业控制计算机，2002，15(1)：1-4．
[5] 官波．DCS、智能I／O及现场总线系统的发展与展望．中国仪器仪表，2000，(12)：1-6．
[6] Felser M, Sauter T. The Fieldbus War:History or Short Break Between Battles. Factory Communication Systems, 4th IEEE International Workshop, 2002:73-80.
[7] 陈积明．工业以太网的研究现状及展望．化工自动化及仪表，2001，28(6)：1-4．
[8] 贾东耀，汪仁煌．工业控制网络结构的发展趋势．工业仪表与自动化装置，2002，(5)：12-14．
[9] 王平，王浩．工业以太网中实时性问题的研究进展．仪器仪表标准化与计量，2003，(4)：14-16．
[10] 李英．基于Ethernet的全开放工业控制网络．工业仪表与自动化装置，2001，(3)：6-9．
[11] 李驹光，张华．基于ARM的工业以太网控制系统智能节点的设计．电子技术，2003，(7)：17-18．
[12] 张孟顺．以太网结构的演进．计算机与通信，1999(1)：2-6．
[13] Hoon P S. FOUNDATION Fieldbus High Speed Ethernet(HSE) Implementation. Intelligent Control, IEEE International Symposium, 2002:777-782.
[14] 管金库．基于uCOSⅡ的嵌入式Modubs-TCP／IP协议转换网关的设计与实现(硕士学位论文)．重庆：重庆大学，2005．
[15] 杨显强．基于嵌入式Linux的轻型网关的设计(硕士学位论文)．成都：四川大学，2006．
[16] 张涛，乔毅，唐明．一种现场总线与以太网互联中协议转换的设计．仪器仪表用户，2005，(1)12-14．
[17] 唐鸿儒，丁伟，褚健．用Ethernet+TCP／IP构建现场实时通信网络平台．计算机应用研究，2001，18(3)：45-48．
[18] Corbet J, Rubini A, Kroah H G. Linux设备驱动程序．北京：中国电力出版社，2005．
[19] 刘峥嵘，张智超，许振山．嵌入式Linux应用开发详解．北京：机械工业出版社，2004．
[20] 马忠梅，李善平，康慨．ARM Linux嵌入式系统教程．北京：北京航空航天大学出版社，2004．
[21] 孙琼．嵌入式Linux应用程序开发详解．北京：人民邮电出版社，2006．
[22] 李驹光，郑耿，江泽明．嵌入式Linux系统开发详解-基于EP93XX系列ARM．北京：清华大学出版社，2006．
[23] Daniel P. Understnading the Linux Kernel. Sebastopol, CA:O' Reilly & Assoeiates, 2000.
[24] Back M. The design of the Unix Operating System. Upper Saddle River, NJ:Prentice Hall,1987.
[25] Stevens R. hdvanced Programming in the Unix Environment. Boston:Addison-Westley, 1992.
[26] Robert L. Linux Kernel Development. Indiana Pulis: Sams Publishing, 2004.
[27] Karim Y. Building Embedded Linux systems. Sebastopol, CA: O'Reill & Associates, 2003.
[28] Stevens R. Unix Network Programming. Upper Saddle River, NJ:Prentice Hall PTR, 1999.
[29] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996．
[30] 杨波，徐成．嵌入式CAN-Ethernet网关的设计与实现．计算机应用，2005，25(2)6-10．
[31] 韩文强，费凌，李军民．CAN与TCP／IP协议在嵌入式Linix中的综合应用．西华大学学报，2005，24(1)1-8．
[32] 宋朝东．巧学巧用 HTML CSS JavaScript．北京：人民邮电出版社，2005．
[33] Stevens R，范建华．TCP-IP详解．北京：机械工业出版社，2004．
[34] 金庆华．TCP／IP协议剖析．计算机与现代化，1998(1)：8-15．
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