嵌入式CAN总线与以太网冗余网关的设计与实现

发布时间：2017-09-28 15:40

  本文关键词：嵌入式CAN总线与以太网冗余网关的设计与实现

  更多相关文章： 网关 CAN总线 以太网通信 嵌入式Linux

【摘要】：现代船舶自动化面向大型化、高速化、智能化迅速发展,因此对船舶的自动控制要求也越来越高。CAN总线因为其较高的可靠性、网络安全性、实时性和低成本性在船舶机舱等强干扰的环境中具有广泛的应用。尽管CAN总线具有诸多优点,但CAN总线不适合远距离数据传输及远程控制。而以太网稳定的通信质量、自纠错功能以及开放性强、传输距离不受限制等优点可以弥补CAN总线的缺点。并且以太网的特性也方便多个CAN网络的信息大量集中后的管理。CAN总线与以太网网关是一种CAN总线与以太网之间协议转换的装置,主要作用是实现CAN总线数据与以太网数据的双向透明传输。本文设计并实现了一种在硬件上双路冗余热备份的网关。网关采用分离式多线程的设计方案,以ATMEL-SAM9X25为核心处理器,嵌入式Linux系统为平台,设计了一种采用公共数据交互区的操作方法,将信息交互的热备份冗余方式增加到4种。本文通过研究CAN总线基本原理,结合linux系统的特点,将整个设计方案分为CAN总线传输、以太网传输、公共数据交互区动态管理、故障监测等多个部分。通过建立公共数据交互区以及公共信号量,使多个线程之间协同工作,提高了整个网关的实时性和可靠性,并增加了2种冗余方式。本文各个部分中：CAN总线传输部分实现了波特率设置、屏蔽码设置以及数据传输；以太网传输部分实现了参数设置和数据传输；公共数据交互区部分实现了互斥操作和动态管理；故障检测部分中实现了CAN总线和以太网的故障检测。本文在以太网传输中主要以TCP协议为主,同时支持UDP协议。在此之外,设计实现了用户参数设置模式,通过账户密码验证可以设置网关的相关参数。最后通过Visual C++6.0开发PC端软件对应的动态链接库。最后经过实验验证,本文设计的网关可以完成协议转换,监测网关故障,通过4种冗余方式提高了可靠性,满足船舶相关设备设计规范要求,同时也适用于自动控制的各个领域相关应用。
【关键词】：网关 CAN总线 以太网通信 嵌入式Linux
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U665;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题的研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外的研究发展现状11-14
• 1.2.1 现场总线技术的发展现状11-12
• 1.2.2 船舶自动化网络介绍及网关的技术发展现状12-14
• 1.3 本文的主要工作14
• 1.4 本文的章节安排14-16
• 第2章 CAN总线基本原理与网关的整体架构设计16-30
• 2.1 CAN总线基本原理和帧格式16-21
• 2.1.1 CAN总线工作基本原理16-17
• 2.1.2 CAN总线报文帧格式17-21
• 2.2 网关的硬件介绍21-23
• 2.3 网关的框架设计23-30
• 第3章 网关各部分的具体设计与实现30-60
• 3.1 公共数据交互区模块30-35
• 3.1.1 公共数据交互区模块的创建30-31
• 3.1.2 公共数据交互区模块的读写31-35
• 3.1.3 公共数据交互区的动态管理35
• 3.2 故障检测模块35-42
• 3.2.1 CAN总线错误处理35-36
• 3.2.2 CAN总线故障界定36-39
• 3.2.3 CAN总线故障检测与判定39-41
• 3.2.4 以太网的故障检测41-42
• 3.2.5 故障报错42
• 3.3 CAN总线通信模块42-48
• 3.3.1 CAN波特率的设置43-45
• 3.3.2 CAN总线的接收与发送45-48
• 3.4 以太网通信模块48-55
• 3.4.1 双网卡的设置与初始化48-51
• 3.4.2 以太网通信模式51-55
• 3.5 自动对时功能55-56
• 3.6 Windows环境动态链接库的设计56-58
• 3.7 本章小结58-60
• 第4章 网关功能和性能的测试结果与分析60-72
• 4.1 网关功能测试结果与分析60-69
• 4.1.1 4种冗余方式的数据传输测试结果与分析60-64
• 4.1.2 公共数据交换区动态管理实验结果与分析64-65
• 4.1.3 故障检测与提示实验结果与分析65-68
• 4.1.4 自动对时实验结果与分析68-69
• 4.2 网关性能实验结果与分析69-72
• 第5章 总结与展望72-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 作者简介79

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本文编号：936694