嵌入式多协议网关设计与研发

摘要

随着传感器、以太网通信、工业现场总线、嵌入式系统等技术的发展，物联网已经广泛应用在仓储物流、智能电网、公共安防、智能楼宇等领域，物联网的核心思想就是把任何物体都连到互联网中，这其中起到重要作用的便是网关，嵌入式多协议网关现在在电子市场是一个新兴产品，将有不同通信接口的传感器都连接到同一个网关上，进行分布式数据传输和控制，大大降低了设计成本，便于后期的维护。
　　本文详细叙述嵌入式多协议网关系统的研发过程，包括硬件电路的设计和软件的开发。系统采用高性能32位ARM处理器STM32F407，移植和优化轻量级LWip、freeMODbus、CAN festival通信协议，使其高速运行在删处理器上，实现嵌入式多协议网关设计。首先，在没有使用应用层协议情况下，实现的通信方式主要为双向透明传输模式:Ethernet与CAN接口互转、Ethernet与RS485/232接口互转、RS485/232与CAN接口互转，CAN、RS485/232接口，可设置其传输的数据波特率、字节大小等。
　　其次，在添加了应用层协议情况下，实现的通讯方式是:MODbusTCP转MODbus单向半双工传输设计，MODbusTCP转CANopen单向半双工传输设计。调度算法的设计，实现多协议半双工交叉通信，解决任务切换、信息缓存、信息阻塞和误码等问题，给出自己的程序软件设计方案和思路。
　　最后，通过实验，对整个系统进行了性能验证，分析了实验结果，展示了项目设计开发成果和总结了开发过程当中出现的问题。实践证明本文所设计的嵌入式多协议网关能够基本完成通信接口透明传输、协议互转传输等设计任务。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究发展现状

1．1．1 嵌入式网关技术发展现状

1．1．2 国内外技术发展现状

1．2 课题研究意义

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文主要设计任务

2 多协议网关的编程框架分析与设计

2．1 任务管理系统QP简介

2．1．1 QEP的特点与结构

2．1．2 QF的特点与结构

2．1．3 QF主动对象

2．2 QP在STM32F407上的修改移植

2．2．1 和平台相关的QF回调函数

2．2．2 系统时钟节拍调用QF_tick()

2．2．3 移植QK

2．3 TCPIP协议栈选择、优化

2．3．1 通信协议的选择与移植

2．3．2 Lwip源码移植

2．3．3 Lwip协议的优化

2．4 CANopen协议栈选择、优化

2．4．1 通信协议的选择

2．4．2 通信协议的移植

2．5 MODbus协议栈选择、优化

2．5．1 通信协议的选择

2．5．2 freeMODbus协议移植与优化

2．6 章节总结

3 多协议网关的硬件系统设计

3．1 多协议网关结构简介

3．2 多协议网关硬件方案设计

3．3 控制器最小系统设计

3．3．1 微控制器的选择

3．3．2 最小系统的设计

3．4 功能按键以及显示电路设计

3．4．1 液晶显示和数模IO管脚电路设计

3．4．2 功能按键电路设计

3．5 以太网通信接口电路设计

3．6 RS485 通讯接口电路设计

3．7 RS232 通讯接口电路设计

3．8 CAN通讯接口电路设计

3．9 EEPROM、FLASH存储电路设计

3．10 通信指示电路、USB电路设计

3．11 章节总结

4 多协议网关的下位机软件设计

4．1 交叉通信调度算法设计

4．2 RJ85、UART、CAN双向透明传输设计

4．2．1 功能特点

4．2．2 工作原理

4．3 MODbusTCP转MODbus单向半双工传输设计

4．3．1 功能特点

4．3．2 工作原理

4．3．3 应用拓扑

4．4 MODbusTCP转CANopen单向半双工传输设计

4．4．1 功能特点

5．4．2 工作原理

4．4．3 应用拓扑

4．5 章节总结

5 多协议网关的上位机软件设计

5．软件主界面

5．2 IP设置

5．3 RS串口设置

5．4 CAN接口设置

5．5 章节总结

6 实验结果与分析

6．1 Lwip下载运行验证

6．2 透明传输实验结果及分析

6．3 MODbusTCP转MODbus实验结果及分析

6．4 MODbusTCP转CANopen实验结果及分析

6．5 章节总结

项目设计开发成果

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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