双网冗余CAN-以太网网关的设计与实现

发布时间：2017-04-12 13:24

  本文关键词：双网冗余CAN-以太网网关的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现场总线CAN是一种支持分布式和实时性控制的串行通信网络,其作为工业现场总线的非常重要的一员,具有可靠、实用、灵活和经济等特点,目前已经在自动化、车辆、船舶等诸多领域得到广泛使用,并且现已形成了国际标准。同时,随着以太网和工业生产自动化水平的提高,越来越多的企业通过以太网连接工业现场实现全面可控性,因此,以太网与现场总线CAN的互联通信成为大势所趋,对于实现上层控制管理网与底层总线网络具有非常重要的推广价值和现实意义。随着互联网技术与船舶自动化技术深入结合,为了使船舶控制系统实现现场控制网与上层管理网的无缝连接和整个系统数据传输的可靠性,系统平台采用双CAN总线+以太网的网络架构,需实现嵌入式CAN-以太网网关两种异型网络的冗余通信,并针对冗余CAN总线网络拓扑发现的可靠性问题,提出了一种基于丢包过程的并行冗余网络协议。因而,本文研究了双网冗余CAN-以太网网关的设计与实现,具有一定的理论和实践意义。具体工作包括：(1)论文分析了双网冗余CAN-以太网网关的功能：实现两种异型网络之间的数据透明交换,并保证数据传输的可靠性。分别对CAN总线和以太网技术在工业当中的应用特点进行介绍,并提出了网关的设计原理和总体实现方案,给出了网关的模型和软件设计架构。(2)选用基于ARM-CM4内核的STM32F407处理器(由于该处理器集成了两路CAN总线控制器和以太网控制器),扩展了以太网驱动接口电路和CAN总线驱动接口电路,CAN收发器选用SN65HVD230,以太网接口芯片选用DM9000A。设计双CAN总线冗余系统电路,搭建了实验硬件平台。(3)基于ARM微处理器及其扩展器件的功能并进行软件设计与实现。包括：在硬件平台上移植FreeRTOS操作系统,实现了CAN总线和以太网底层数据帧驱动,然后设计和实现互联系统核心的转换模块和并行冗余协议,最后完成CAN总线到以太网网关的软件编程、调试和测试,测试结果验证了本设计的正确性。
【关键词】：CAN总线 以太网 网关 冗余 PRP
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273;TP393.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 概述13-14
• 1.2 研究背景及意义14-15
• 1.3 国内外研究现状及分析15-17
• 1.3.1 国内研究现状分析15-16
• 1.3.2 国外研究现状分析16-17
• 1.4 主要研究内容和论文架构17-19
• 第二章 CAN总线与以太网概述19-27
• 2.1 CAN总线概述19-22
• 2.1.1 CAN介绍19
• 2.1.2 CAN总线技术特点19-20
• 2.1.3 CAN总线的位仲裁技术20-21
• 2.1.4 CAN报文格式21-22
• 2.2 以太网技术概述22-26
• 2.2.1 以太网介绍22
• 2.2.2 以太网的工作原理22-23
• 2.2.3 IEEE 802.3网络标准23-24
• 2.2.4 CSMA/CD技术24-25
• 2.2.5 以太网的帧格式25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 CAN-以太网网关设备的总体设计27-32
• 3.1 系统设计概述27
• 3.2 设计原理与实现方案27-30
• 3.3 网关的模型30-31
• 3.4 软件设计架构31
• 3.5 本章小结31-32
• 第四章 系统的硬件组成分析及设计32-44
• 4.1 系统硬件组成结构32-35
• 4.1.1 ARM处理器STM32F40732-33
• 4.1.2 电源电路33-34
• 4.1.3 调试接口设计34-35
• 4.2 以太网接口研究及设计35-37
• 4.2.1 以太网控制器结构和功能35-36
• 4.2.2 以太网接口电路36-37
• 4.3 CAN总线接口研究与设计37-43
• 4.3.1 CAN总线接口概述37-39
• 4.3.2 CAN总线收发器主要特点及引脚功能39-40
• 4.3.3 CAN总线收发器的工作模式和控制逻辑40-42
• 4.3.4 CAN总线接口电路42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第五章 系统软件设计与实验测试结果44-69
• 5.1 FreeRTOS系统概述44
• 5.2 FreeRTOS系统的移植44-45
• 5.3 CAN总线模块软件设计45-49
• 5.3.1 CAN总线模块初始化45-47
• 5.3.2 CAN总线数据的发送47-48
• 5.3.3 CAN总线数据的接收48-49
• 5.4 以太网模块软件设计49-55
• 5.4.1 以太网控制器的初始化49-50
• 5.4.2 以太网数据的发送50-53
• 5.4.3 以太网数据的接收53-55
• 5.5 网关转换协议的设计55-62
• 5.5.1 协议格式设计55-56
• 5.5.2 双网冗余协议工作原理56-59
• 5.5.3 冗余协议功能设计与实现方案59-62
• 5.6 软件设计流程62-64
• 5.7 系统测试与实验结果64-68
• 5.7.1 测试环境64
• 5.7.2 系统调试64-65
• 5.7.3 实验数据及分析65-68
• 5.8 本章小结68-69
• 总结与展望69-70
• 参考文献70-73
• 攻读学位期间发表论文73-75
• 致谢75

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