工业以太网的无线扩展研究

摘要

现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络,是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络,它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯,具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点. 但在许多工业环境及过程控制环境下的对象,如移动对象、旋转对象、危险环境对象等,有线的物理介质难以连接；工业以太网的发展,要求实现现场总线与以太网技术结合,实现多级网络的互连；工业布线的成本高.针对这一系列的不足,提出了将无线以太网技术应用于现场总线网络中,这是解决上述问题的最佳方案. 本文以CANBUS总线作为研究对象,在分析CANBUS总线和IEEE 802.11x两种协议的基础上,设计开发将无线以太网IEEE 802.11b应用于工业现场总线CANBUS中,用无线技术作为有线CANBUS总线网络的无线扩展.考虑了现有技术兼容问题和易实现性问题,并综合考虑技术、性能及市场等多方面要求,确定了无线CANBUS网络的技术目标. 本文设计了无线CANBUS总线的网络架构一虚拟环网结构(VRE),使有线站点和无线站点可以在同一个CANBUS网络内运行；分析了物理层使用无线扩频技术如何保证工业需求的高速、高性能；设计专用的AP节点一AP-IWU,实现有线/无线网段的平滑桥接；在应用层实现CANBUS总线和IEEE 802.11b的融合；设计无线网段内虚拟主机和虚拟从机的有限状态机,验证了有限状态机的可达性；并对由此组成的无线CANBUS网络的实时性作了初步的研究,针对无线信道自身的特点,讨论了数据调度算法,确定在无线CANBUS网络传输时间严格数据和周期数据的网络延迟.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1相关技术的现状和发展方向

1.1.1工业以太网

1.1.2 R-fieldbus无线现场总线技术

1.1.3 IEEE 802.11x无线技术

1.2 课题的提出及意义

1.3 课题的任务及本系统的优点

第二章通讯协议

2.1 CANBUS 2.0B协议的介绍

2.1.1 CANBUS 2.0B协议的基本概念

2.1.2 CANBUS的帧格式

2.1.3 CANBUS的帧类型

2.1.4 CANBUS总线访问冲突仲裁方式

2.1.5 CANBUS错误检测

2.2 CANBUSopen应用层协议的介绍

2.2.1概述

2.2.2对象字典

2.2.3 CANBUSopen网络中主节点和从节点的概念

2.3 IEEE 802.11x协议的介绍

2.3.1无线局域网的概念及演化

2.3.2 IEEE 802.11x协议的基本概念

2.3.3 IEEE 802.11x协议的网络组件

2.3.4 IEEE 802.11x协议的物理层

2.3.5 IEEE 802.11x MAC中的主要技术

2.3.6 IEEE 802.11x MAC的网络工作方式

2.3.7 IEEE 802.11x中的定时同步功能(TSF)

第三章无线扩频技术

3.1 WLAN物理层简介

3.2扩频技术简介

3.3扩频技术理论原理

3.4频谱扩展的实现

3.5扩频通信系统工作原理

3.6扩频通信的性能特点

第四章CANBUS总线无线扩展的总体设计

4.1 IEEE 802.11x DSSS无线链路的误码特性

4.2 IEEE 802.11x链路层的特性

4.3 CANBUS总线无线扩展的概述及设计

4.3.1虚拟环网扩展方案

4.3.2无线网段MAC和链路层协议的设计

4.3.3无线网段应用层协议的设计

4.4 AP-IWU的设计

4.5 CANBUS总线无线扩展的架构及设计要求

4.5.1 CANBUS总线无线扩展的架构

4.5.2 CANBUS总线无线扩展的设计要求

第五章调度算法

5.1现场总线网络结构

5.2带宽分配调度算法

5.2.1周期数据调度

5.2.2其它类型数据的调度

5.3应用实例

第六章有限状态机

6.1有限状态机的概念

6.2有限状态机的基本原理

6.3有限状态机与软件设计

6.4无线CANBUS协议中有限状态机的设计

6.5利用FSM验证应用层协议

结束语

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢