基于POWERLINK工业实时以太网多接口智能网关的设计与实现

摘要

工业现场总线由来已久，主要实现自动化装置之间数字式、串行式、多点式的数据通信，较早出现的典型代表是RS-485/RS-422总线和CAN总线。伴随着工业自动化由低速向高速、低精度向高精度、集中式控制向分布式控制的发展，对工业总线的传输速度和数据量都提出了更高的要求，传统总线以难以满足这种需求。工业领域从设备的稳定性和成本考虑，不像消费领域经常更换设备，所以目前国内工业控制领域存在多种总线标准，且不同类型的网络之间很难实现数据的通信和共享。随着生产规模的扩大，工业现场很可能并存多种总线。为了实现不同总线间的互联互通，需要多种协议栈转换器，如CAN-RS485协议转换器。
　　短距离无线通信因其功耗低，安装方便，传输速度适中等优点，在工业现场的应用越来越广泛。目前工业上较多应用的是Zigbee、Wi-Fi和433MHz频段通信。
　　以太网凭借低廉的成本、较高的通信速率、全球普及的标准，已成为工业总线下一步发展实践的方向。为了克服传统以太网通信行为非实时的缺点，出现了各种改良方案。其中Ethernet POWERLINK以标准以太网的MAC层和硬件层为基础，放弃经典的CSMA/CD协议，创新性的采用CANopen作为应用层协议，为Ethernet POWERLINK的数据通信和网络管理提供了极大便利，为不同的设备和特定应用提供统一的接口。
　　论文介绍了工业实时以太网的概念及国内外发展概况，对POWERLINK原理做了详尽的阐述，针对目前工业现场多协议并存的情况以及工业总线向以太网发展的趋势，设计出基于 POWERLINK协议的多接口智能网关系统的总体方案。系统总体由POWERLINK通信单元以及其他通信接口组成，POWERLINK通信单元使用FPGA实现，其他通信接口使用AM3358实现。软件设计上，AM3358运行POWERLINK主站的用户层代码以及其他接口的通信控制软件，FPGA运行运行POWERLINK主站内核层代码。接口间通信使用简单高效的缓冲转发机制保证数据的安全送达。系统使用Cortex-A8+FPGA硬件构架，实现了Ethernet POWERLINK主站，并且集成了目前工业上常用的有线和无线通信方式，实现各种通信方式之间的互联互通。通过以太网或者GPRS方式并将现场数据和状态发送到远端服务器或者接收转发服务器的命令，完成网关功能。

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第一章 绪论

1.1国内外概况

1.2 POWERLINK简介

1.3课题研究意义

1.4课题主要研究内容及论文结构

第二章 多接口智能网关总体设计

2.1系统总体设计设计方案

2.2系统软件设计方案

2.3系统硬件设计方案

第三章 多接口智能网关硬件设计

3.1. 系统微处理器部分

3.2 近距离无线通信部分硬件设计

3.3 CAN总线和RS-485总线部分硬件设计

3.4 POWERLINK 部分硬件电路设计

3.5 GPRS电路设计

3.6 系统电源设计

第四章 多接口智能网关软件设计

4.1系统软件总体设计

4.2近距离无线通信软件设计

4.3 CAN总线和RS-485总线软件设计

4.4上行通信链路软件设计

4.5 POWERLINK软件设计

4.6 上行链路与下行通信的数据交互

第五章 智能网关功能测试

5.1 上位机测试软件

5.2 测试环境搭建

5.3 POWERLINK到以太网的数据测试

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 课题展望

参考文献

致谢

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