蓝牙技术在工业现场控制中的应用研究

摘要

随着工业现场控制研究和应用的飞速发展,单一的有线传输方式已不能满足现场级设备传输数据的要求。将蓝牙近距离无线传输技术运用到工业现场控制,可以减少电缆的铺设,提高现场级设备数据传输的灵活性。本文在分析、研究了蓝牙无线技术和现场总线技术的基础上,提出了一种使用蓝牙无线通信技术来取代有线通信介质的解决方案。 考虑到无线传输技术应用到工业现场控制,会对传输的可靠性和实时性提出更高的要求。在数据调度上,提出了一种优先级与加权轮转相结合的分级方案。该方案容易实现,兼顾了各种性能指标的要求,能为蓝牙系统提供服务质量保证,实现对蓝牙系统中存在的各种数据流进行合理的调度。 在具体实现上,将蓝牙技术与现场总线技术相结合,采用蓝牙网关的概念,现场蓝牙传感器采集的现场数据通过蓝牙网关传输到Profibus-DP现场总线上,同时Profibus-DP现场总线上的控制逻辑也可以通过蓝牙网关来实现,从而实现了无线蓝牙网络与有线Profibus-DP现场总线的互连。网关的设计上,采用一种基于双CPU结构的设计方案。网关分为两部分:Profibus-DP总线接口部分和蓝牙接口部分。这两部分通过双口的RAM来进行数据的交换。本文对蓝牙网关的软件和硬件的设计进行了详细的阐述。 最后,通过搭建的测试平台,验证了本设计的可行性,达到了Profibus-DP现场总线与蓝牙模块的互连和数据交换目的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题的学术背景及可行性分析

1.2相关领域的研究进展及成果

1.3本课题的主要研究内容

1.4论文结构安排

第2章现场总线技术

2.1现场总线的发展背景

2.2五种常用的现场总线技术

2.3 Profibus现场总线

2.4 Profibus-DP总线协议结构

2.4.1物理层

2.4.2现场总线数据链路层（FDL）

2.4.3直接数据链路映像（DDLM）

2.4.4 Profibus-DP行规

2.5本章小节

第3章蓝牙无线通信技术

3.1蓝牙技术特点

3.2蓝牙的体系结构

3.3核心协议

3.3.1基带协议

3.3.2链路管理协议

3.3.3逻辑链路控制和适配协议

3.3.4蓝牙服务发现协议

3.3.5电缆替代协议、电话传输控制协议及选用协议

3.4主机控制器接口

3.5蓝牙技术中数据调度研究

3.5.1调度算法的性能指标

3.5.2加权轮转调度算法（WRR）

3.5.3蓝牙的数据调度设计方案

3.6本章小结

第4章系统建模和网关协议的实现

4.1系统模型的建立

4.2协议转换原理

4.2.1网络互连技术

4.2.2网关协议

4.3系统开发工具

4.4本章小结

第5章硬件设计的实现

5.1网关硬件设计的整体结构

5.1.1 CPU单元

5.1.2 Profibus-DP接口单元

5.1.3蓝牙接口单元

5.1.4复位电路

5.1.5双口RAN

5.2蓝牙远端站电路

5.3本章小节

第6章系统软件设计

6.1系统软件设计的总体构思

6.2网关的Profibus-DP通信

6.2.1 Profibus-DP从站状态机

6.2.2 Profibus-DP数据报文结构

6.2.3 DDLM与用户接口之间的接口

6.2.4主从站间的功能报文

6.2.5网关的DP通信程序流程图

6.3网关的蓝牙通信

6.3.1 HCI层及HCI指令

6.3.2蓝牙接口与DP的通信

6.3.3蓝牙接口与蓝牙远端站通信

6.4蓝牙远端站软件设计

6.5本章小结

第7章通信测试平台的建立及测试结果

7.1测试步骤分析

7.2编制设备数据库（GSD）文件

7.3对系统进行组态

7.4测试环境

7.5测试结果及分析

7.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢