嵌入式异构多协议通讯网关设计

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随着工业技术的发展,工业现场设备网络化、计算机管理与控制远程化已经成为一个新的发展趋势。但在传统的仪器仪表设备等现场设备中,多数现场设备仅采用RS485接口或CAN通讯接口,而RS485总线网络与CAN总线网络两种异构总线网络只能在一定距离范围内各自通讯,无法完成互联互通、信息分享。而以太网技术的高速发展,为现场设备联网、远程控制提供了技术基础。本文设计了一种基于LM3S8962微处理器的嵌入式异构通讯网关,解决了工业底层设备在异构网络无法相互通讯,满足了传统工业底层设备接入以太网的需求,达到信息共享的目的。  本文首先对嵌入式异构通讯网关进行整体方案进行设计,分析了Modbus标准协议以及CAN总线数据协议帧格式。并在此基础上,对异构通讯网关需要实现的功能进行理论设计。通过通讯网关内数据的封装与传递过程来说明协议转换设计。针对软件的通用性做了分层设计,设计了中间件协议转换方案、数据流的处理进程;之后又提出了缓冲区和寄存器映射的方式来解决异构网络中速率不匹配的难点。  然后,论文设计了异构通讯网关的电路。LM3S8962最小系统电路的实现保障了处理器运行的基本功能,外围功能电路的实现满足了通讯网关的接口功能,包括CAN总线接口电路、RS485接口电路、以太网接口电路、EEPROM存储器电路、大型Flash内存接口电路等功能;提出嵌入式异构通讯网关的软件总体框架与具体实现方案,包括uC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统的在LM3S8962微处理器上的移植,嵌入式TCP/IP协议栈LWIP的移植、TCP通讯链接的建立。设计了中间件协议格式转换程序、总线设备寄存器映射方案与控制命令操作缓冲队列。  之后,论文通过对以太网冲突检测机制——CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的工作原理与冲突碰撞仲裁算法——二进制指数后退算法BEB的分析,针对其碰撞退避算法BEB的局限性,提出了一种改进的BEB算法。并使用数学仿真模拟软件matlab对改进BEB算法进行仿真验证,得出在负荷较重的情况下,平均排队延迟时间有所减小,并降低了以太网终端发送数据碰撞的概率,对以太网实时性有一定的提高。  最后以工业电伴热带为底层设备进行实验测试,嵌入式异构通讯网关在异构网络通讯中,稳定性与实时性达到设计要求,有效解决在异构网络多主站设备中现场总线通讯冲突的问题,完成异构网络间多协议数据帧的相互转换与通讯。  
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