矿用综合性网关及其网管系统的设计与实现

摘要

传输介质和通信协议的多样化使得煤矿井下形成了互不兼容的多个网络和系统，为了解决异构网络的数据融合、传输问题，通常借助网关设备实现不同协议之间的转换。现有的网关设备协议转换功能较单一，且基本都通过软件来实现，数据转换实时性弱。随着以太网通信速率的提高，对网关的功能也提出了更高的要求，具有多接口、高效率、高稳定性，适应多种传输介质和通信协议的网关具有较大的市场需求。为此本文设计了一款接口丰富、稳定性高、成本低、速度快的矿用综合性网关，通过FPGA硬件实现以太网与RS-232/RS-485/CAN协议之间的相互转换，以保证数据传输的实时性，并设计Web网管软件，方便设备的远程管理。
　　本文首先从硬件架构和软件结构两方面讨论了矿用综合性网关的设计，考虑到成本、开发周期和产品功能等方面的要求，规划出采用专用超大规模集成电路模块与FPGA硬件实现协议转换模块结合的硬件架构，和基于嵌入式Linux操作系统的软件系统架构。专用集成模块选用了千兆以太网交换机模块、DSL高速数据传输模块和高速无线通信模块，FPGA内部的协议转换使用VHDL语言设计完成。应用层基于Web的网管方式的实现，采用了多进程管理模型，并通过多线程结构完成多任务的管理。
　　最后对矿用综合性网关的协议转换功能和Web网管功能进行了测试和验证。结果表明该网关能完成RS-232/RS-485/CAN和以太网协议的双向转换，用户可通过Web方式对矿用综合性网关进行配置和管理，该网关达到了预期设计目标。

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1 绪论

1.1课题背景及来源(Background and Origin of the Research)

1.2网关的发展和应用现状(Development and Application Status of Gateway)

1.3课题研究内容及意义(Content and Meaning of the Research)

1.4论文基本框架(Basic Framework of Topics)

2 矿用综合性网关总体设计

2.1网关工作原理(Gateway Work Principle)

2.2硬件体系结构(Hardware Architecture)

2.3网关软件架构(Software Architecture of Gateway)

2.4本章小结(Chapter Summary)

3 多协议转换的FPGA实现

3.1 FPGA特点及工作原理(Feature and Work Principle of FPGA)

3.2 FPGA开发工具及语言(Development Tool and Language of FPGA)

3.3通信协议(Communication Protocol)

3.4常用协议转换方法(Common Protocol Conversion Methods)

3.5 FPGA模块驱动及初始化(Driver and Initialization of FPGA)

3.6协议转换FPGA实现(FPGA Implementation of Protocol Conversion)

3.7 FPGA软件架构(Software Architecture of FPGA)

3.8本章小结(Chapter Summary)

4 Web网管方式的设计与实现

4.1 Web网管总体设计 (The Overall Design of Web Network Management)

4.2 Web服务器环境搭建(Web Server Environment Build)

4.3 CGI程序设计(CGI Programming Design)

4.4 Web Server实现过程(Implementation of Web Server)

4.5网管软件模块设计(Design of Network Management Software Modules)

4.6进程间通信设计(Design of Interprocess Communication)

4.7本章小结(Chapter Summary)

5 网关测试

5.1网关协议转换功能测试(Testing of Protocol Conversion Function of Gateway)

5.2网管功能测试(Testing of Network Management Function)

5.3本章小结(Chapter Summary)

6 总结与展望

6.1 总结(Summary)

6.2 展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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