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嵌入式技术和以太网技术的迅速发展及两种技术的紧密结合,使得工业自动化系统的体系结构和操作管理方式发生了很大变化,基于分组交换技术的工业以太网通信网络的性能、质量和可靠性等得到很大提高,网络产品应用的实时性和可靠性越来越值得人们信赖。将嵌入式系统融入到工业网络中,研制出低成本,高性能的嵌入式网络设备,在这个基础之上逐步实现工业设备全面联网,将使通信控制系统的功能跃上一个新的台阶,使远程数据采集、监测控制、数据传送等过程变成高效实时的操作流程,从而显著提高生产控制自动化水平。
本论文所研究的“嵌入式数据交换监控系统”充分利用以太网技术和嵌入式系统的特点,搭建的嵌入式系统,便于对工业以太网中的数据交换模块进行监控,可广泛应用于工控现场、电力系统等多种领域。所研究的高性能嵌入式工业以太网数据交换监控系统的设计方案,分析了嵌入式装置的硬件架构,重点设计实现了嵌入式系统软件功能特性,并对其应用于工业通信的可靠性和实时性采取了一些可行措施。主要从以下几个方面对该系统进行了详细的设计和描述:
(1)以太网通信协议。本论文的侧重点在于系统的数据通信相关设计,以及数据通信的实时性与可靠性相关技术的研究,所以,在关注主要的研究问题的同时,也分析了以太网的通信原理,重点分析了TCP/IP协议族结构,各网络协议在网络架构中所在的层次,及数据交换系统的重要硬件接口。
(2)Linux操作系统移植。研究嵌入式系统软件的运行机制,分析系统硬件开发平台。包括启动引导代码bootloader的移植、实时linux操作系统内核的裁剪移植、cramfs根文件系统和yaffs应用程序文件系统的建立、应用程序的导入开发等,明确linux操作系统与初始化软件、程序之间的关系。建立基于ARM和linux的嵌入式监控系统开发与调试平台。
(3)Linux驱动程序开发。驱动程序为上层应用程序访问硬件提供统一抽象接口,本论文在基于构建的硬件平台上移植嵌入式Linux操作系统,开发调试底层SPI接口驱动和MII接口驱动,设计应用软件的数据交换网关模块,实现嵌入式ARM处理器LPC3250对交换芯片BCM5324的监控功能。
(4)Web监控服务器设计。开发移植Linux下的web服务器应用程序,实现交换系统的远程web接入监控功能。本论文移植了轻量级单进程Boa嵌入式web服务器,为了保证系统效率,设计支持CGI接口,实现动态数据更新,响应多用户请求功能。
(5)环网保护技术。为了保证工业以太网通信的可靠性,本论文采用了以太网环网保护技术。给出了环网保护的路由协议设计方案,包括SNMP网络拓扑发现和邻居表报文收集方法。在介绍了拓扑结构和组网方式之后,阐述了环网保护的具体运作过程。
(6)IEEE1588时钟同步。为了保证工业以太网数据通信的实时性,对IEEE1588在系统实时性中的应用做了研究。阐述IEEE1588高精度时钟同步机制和时钟校正原理,分析了IEEE1588协议的核心算法:最佳主时钟(BMC)算法和本地时钟同步(LCS)算法,同时从技术开发的角度对系统中同步精度的影响因素,如时间戳的生成方式、网络的对称性等作了分析,并提出了一些改进的方法。