基于ARM技术的CAN-PROFINET协议转换网关研制

摘要

随着智能电网的发展，PROFINET已经逐渐成为低压配电系统中各设备间互联通信的主流技术。通过标准PROFINET工业以太网接口可以实现智能断路器与人机界面(HMI)、可编程逻辑控制器(PLC)等互联通信，进而组成大规模、高实时性的智能的低压电器监控系统。但是，基于CAN总线的智能断路器依然占据市场的不少份额，而CAN-PROFINET协议转换核心技术被少数厂商垄断。因此，论文针对智能断路器接入工业以太网的需求，设计了基于ARM技术的CAN-PROFINET协议转换网关。论文的主要工作包括了:(1)完成了CAN-PROFINET协议转换网关软硬件设计。定义了CAN-PROFINET协议转换网关的结构与功能;根据设计方案制作了网关硬件;针对协议转换网关CAN总线最多可带8个ETU从节点的应用需求，结合CANOpen、PROFINET协议栈固有的软件架构，设计并实现协议转换网关的软件、编写设备描述文件;实现了CANOpen与PROFINET两种协议应用服务的映射，保证通信数据在CAN总线和PROFINET工业以太网络上的无缝传输。(2)提出基于参数估计方法的总线利用率恒定控制算法。研究了CAN总线的关键性能指标及其影响因素，针对CAN总线过程数据报文数量时变的特性，提出了相应的优化控制算法，并在实际协议转换网关中进行了验证。(3)测试了设计网关的综合性能。验证协议转换网关的功能、性能及可靠性:对涉及可靠性的关键信号进行测试评估;搭建CAN总线和PROFINET网络的测试环境，对协议报文进行深度测试;按照协议转换网关的实际应用背景，进行系统组网测试。综合测试的结果表明本项目研发的CAN-PROFINET协议转换网关实现了预先设计的功能，具有性能好、可靠性高的特点，完全能满足复杂低压电器系统通信需求。
　　论文取得的进展包括了:(1)结构约束条件下的高可靠性网关硬件电路设计，包括抗干扰、通信隔离、滤波、主子板接地等设计。(2)针对CAN总线过程数据报文数量时变的特性，提出的基于参数估计方法的总线利用率恒定控制算法，测试结果表明提出的算法保证总线利用率静态收敛于设定值且受到干扰时动态性能较好。(3)完成的协议转换网关通过IEC61000-6-2规定的抗扰度测试以及IEC61000-6-4规定的辐射发射测试，并且还通过了PI组织的PROFINET一致性B类产品认证，因此符合工业和行业标准可直接投放市场。论文的工作突破了现有技术壁垒，完成的CAN-PROFINET协议转换网关在新一代智能低压电器监控系统中具有广泛的应用前景。

目录

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摘要

缩略词

列图索引

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第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．2．1 低压电器通信技术的发展

1．2．2 现场总线技术的发展

1．2．3 工业以太网技术的发展

1．3 本课题的研究意义

1．4 本文的研究内容与章节安排

第二章 CAN-PROFINET协议转换网关功能与组成

2．1 网关功能

2．1．1 项目目标

2．1．2 通信数据定义

2．2 通信组成

2．2．1 CAN通信

2．2．2 PROFINET通信

2．3 总体方案设计

2．4 本章小结

第三章 CAN-PROFINET协议转换网关硬件设计与实现

3．1 协议转换网关硬件总体设计

3．2 通信主板电路设计

3．3 通信子板电路设计

3．4 本章小结

第四章 CAN-PROFINET协议转换网关软件设计与实现

4．1 协议转换网关软件总体设计

4．2 CANOpen软件架构

4．3 PROFINET软件架构

4．4 协议转换网关软件实现

4．5 GSDML设备描述文件的编写

4．6 本章小结

第五章 协议转化网关CAN总线性能优化

5．1 CAN总线利用率及时延性能分析

5．2 基于参数估计的CAN总线性能优化

5．3 优化算法实验测试及分析

5．4 本章小结

第六章 CAN-PROFINET协议转换网关测试

6．1 关键信号测试

6．1．1 板间并口总线信号测试

6．1．2 看门狗信号测试

6．2 CAN总线测试环境搭建

6．3 PROFINET网络测试环境搭建

6．4 系统组网测试

6．4．1 测试目的

6．4．2 测试环境

6．4．3 测试内容和步骤

6．4．4 测试结果与分析

6．5 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

附录