實時工業(yè)以太網協議轉換方法設計與實現
發(fā)布時間：2021-06-23 13:54
隨著工業(yè)4.0以及智能制造的發(fā)展,生產現場的實時數據和生產管理的非實時數據需要在同一網絡中傳輸,但是當前的工業(yè)以太網廠商提出的標準互不兼容,設備間無法直接實現互聯,且無法與非實時數據共存。在這種情況下,時間敏感網絡TSN（Time Sensitive Network）應運而生,打通了信息技術（IT）層與運營技術（OT）層,打造了工業(yè)現場設備互聯互通的“一網到底”的新型工業(yè)網絡架構。各工業(yè)以太網廠商都致力于將自身協議向TSN靠攏,保住市場份額。但是一些較小眾的不使用標準以太網幀格式實時以太網技術,它們依賴專用通信芯片,無法直接與標準工業(yè)以太網融合,需要進行協議轉換。本文針對此類非標準實時以太網的協議轉換進行了相關研究。本文首先對工業(yè)以太網發(fā)展歷程及網絡間協議轉換的現狀進行了介紹,通過分析現有協議轉換方式的不足闡明了本課題的意義。本文通過分析非標準實時以太網協議轉換需求,提出“標準網絡控制器組包解析+FPGA網關實時轉發(fā)”的協議轉換方法。本文研究了兩種典型的非標準實時以太網相關機制,并將其專用通信芯片的組包解析功能和實時通信功能分別用工控機（IPC）和FPGA完成,替代專用通信芯片。本文分...
【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：88 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１工業(yè)實時以太網分類??相應的主站單元的實時性方案則根據使用集總幀或單幀輪詢通信方式，有不??
第１章緒論??結構如圖１－２所示。網關設備既是網絡１的從站，又是網絡２的主站，網絡節(jié)點??功能模塊指的是相關協議所需的專用硬件電路模塊。??網關??網絡１?網絡１?網絡２?網絡２??主節(jié)點?從節(jié)點?主節(jié)點?從節(jié)點??功能模?功能模??塊?塊??圖１－２網關功能結構圖??當網絡１主節(jié)點將控制數據發(fā)送給網關后，網關首先解析網絡１的指令，然??后ＭＣＵ按照事先制定的兩種網絡之間的協議映射，將網絡１的指令格式轉換為??網絡２的指令格式，并發(fā)送給網絡２的從節(jié)點。除負責協議映射外，ＭＣＵ運行??兩個網絡的應用層程序，完成協議的組包、解析以及相應的外設控制等功能。這??種方案ＭＣＵ處協議映射關系復雜，操作系統(tǒng)的響應時間是影響實時性能最主要??的因素，當面對較小的通信周期（小于２５０微秒）或者一周期內發(fā)起多次通信的??場景時，難以滿足要求。赫優(yōu)訊以及德州儀器等公司針對特定的兩種網絡協議推??出了專用的協議轉換芯片，這種方法實時性能好，但是僅適用于特定網絡，通用??性太差。因此，如何完成此類非標準實時以太網的協議轉換，是一個值得研宄的??課題。??１．２．２非標準實時以太網主站研究現狀??網關是待轉換協議的主站，因此研宄非標準實時以太網的協議轉換網關，其??主站實現方式的研宄尤為重要。非標準實時以太網物理層與標準以太網相同，但??是通過專用通信芯片ＡＳＩＣ完成數據鏈路功能，屬于硬實時工業(yè)以太網。此外，??非標準實時以太網為提高帶寬利用率修改了以太網幀格式，縮短了幀頭長度；通??過專用通信芯片管理數據幀的收發(fā)，在硬件層面保證實時性，抖動校此類網絡??是“專網專用”，無法與標準以太網數據共存，操作人員在使用時無需
山東大學碩士學位論文??據幀準備完畢。??４．?ＦＰＧＡ按照事先配置的通信方式和通信周期將控制數據幀發(fā)送給非標準??實時以太網的從站；??５．從站設備將返回數據幀返回給網關；??６．網關將完整返回數據幀嵌入標準實時以太網數據幀的有效區(qū)域內，上傳??至ＩＰＣ標準控制器。??７．重復步驟２－６，完成非標準實時以太網周期通信。??網關１?非標準實時以太網１從站???１￣??％Ｓ５５ｒ?〇（Ｓ）?（｜Ｊ０??ＩＰＣ標準控制器?［?；?網關２?｜非標準實時狀網２祕一—??一＿ＨｎｉｉｆＴｌ?信網絡?Ｉ?ｉｎｒＵｄｆｌＵｅ??網關３?非標準實時以太網３從站??ｍ?ｍ＼?ｍ＼??ｉｌｉｌｉａ?３！?—８?—『??ＩＩｈｊ?ＨＩ？?Ｕｉｉ??圖２－１非標準實時以太網協議轉換方案??如圖２－２所示，ＩＰＣ標準控制器下發(fā)網絡數據幀格式與標準以太網數據幀格??式相同，有效數據區(qū)域內為下發(fā)至網關處的數據。網關處對應非標準實時以太網??的本周期的控制數據前有４ｂｙｔｅ索引和長度，方便網關進行解析。當本周期需下??發(fā)多條數據幀時，按照發(fā)送的先后順序依次排列，并通過不同的索引值間隔開。??｜前導碼｜開始符丨＠的地址丨源地址｜?ＶＬＡＮ標簽｜網絡類型?有效數據?｜幀校驗序列??７?ｂｙｔｅｓ?１?Ｂ?６?ｂｙｔｅｓ?６?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ?２?ｂｙｔｅｓ?４２－１０５０?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ??網關１數據?網關２數據?網關３數據??索引￣￣｜長度｜非標準實時以太網??｜?２?ｂｙｔｅｓ?２ｂｙｔｅｓ?完整數據帕＇??圖２－２以太網數據幀結構圖??１０??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]時間敏感型網絡技術綜述[J]. 宋華振. 自動化儀表. 2020(02)
[2]時間敏感網絡的關鍵協議及應用場景綜述[J]. 叢培壯,田野,龔向陽,闕喜戎,王文東. 電信科學. 2019(10)
[3]確定性網絡研究綜述[J]. 黃韜,汪碩,黃玉棟,鄭堯,劉江,劉韻潔. 通信學報. 2019(06)
[4]基于改進卡爾曼濾波的實時以太網時鐘同步優(yōu)化算法[J]. 史仲淵,張華,王旭浩. 浙江理工大學學報(自然科學版). 2019(05)
[5]OPC UA TSN——邁向工業(yè)互聯網新時代[J]. 智慧工廠. 2018(11)
[6]基于PTPd2的精密時鐘同步軟件實現方法[J]. 陶穩(wěn)靜,陸陽,衛(wèi)星,賈向利. 計算機工程. 2019(03)
[7]伺服驅動器MECHATROLINK-Ⅲ總線在多軸聯動數控機床上的應用[J]. 於成業(yè),楊春洋. 機械工程師. 2018(06)
[8]時間敏感網絡技術及其在工業(yè)互聯網中的應用[J]. 徐驍麟. 電信網技術. 2018(05)
[9]基于RTAI實時多線程的冗余雙臂機器人軸孔裝配方法研究[J]. 高強,趙江海,陳丹惠,趙子毅. 工業(yè)控制計算機. 2018(03)
[10]倍福 TSN耦合器EK1000[J]. 自動化博覽. 2018(01)
博士論文
[1]集成視覺的運動控制平臺設計及測試方法研究[D]. 孫好春.山東大學 2015
[2]網絡化運動控制系統(tǒng)的關鍵技術研究[D]. 姬帥.山東大學 2014
碩士論文
[1]時間敏感網絡中的時間同步技術研究[D]. 茹旭隆.西安電子科技大學 2018
[2]基于IEEE802.1AS的低延遲時間感知系統(tǒng)的設計與實現[D]. 鄭昊.西安電子科技大學 2018
[3]嵌入式實時通信網關服務器的設計與實現[D]. 張睿.南京大學 2018
[4]基于IEEE 802.1AS的時間同步技術研究[D]. 魯航.湖南大學 2018
[5]基于PROFINET的動態(tài)網關的研究及實現[D]. 李枚娟.成都理工大學 2017
[6]數控系統(tǒng)現場總線混聯技術研究與應用[D]. 陸篠華.華中科技大學 2017
[7]基于ERTEC 200P的PROFINET工控網關的研制[D]. 鄧正宇.西南科技大學 2017
[8]基于KRTS的總線式軟運動控制平臺設計及其實現[D]. 林寶.山東大學 2017
[9]基于EtherMAC總線的功能安全I/O從站研究與設計[D]. 田川.山東大學 2017
[10]工業(yè)以太網總線測試平臺研究[D]. 侯明江.山東大學 2015
本文編號：3245058
【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：88 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－１工業(yè)實時以太網分類??相應的主站單元的實時性方案則根據使用集總幀或單幀輪詢通信方式，有不??
第１章緒論??結構如圖１－２所示。網關設備既是網絡１的從站，又是網絡２的主站，網絡節(jié)點??功能模塊指的是相關協議所需的專用硬件電路模塊。??網關??網絡１?網絡１?網絡２?網絡２??主節(jié)點?從節(jié)點?主節(jié)點?從節(jié)點??功能模?功能模??塊?塊??圖１－２網關功能結構圖??當網絡１主節(jié)點將控制數據發(fā)送給網關后，網關首先解析網絡１的指令，然??后ＭＣＵ按照事先制定的兩種網絡之間的協議映射，將網絡１的指令格式轉換為??網絡２的指令格式，并發(fā)送給網絡２的從節(jié)點。除負責協議映射外，ＭＣＵ運行??兩個網絡的應用層程序，完成協議的組包、解析以及相應的外設控制等功能。這??種方案ＭＣＵ處協議映射關系復雜，操作系統(tǒng)的響應時間是影響實時性能最主要??的因素，當面對較小的通信周期（小于２５０微秒）或者一周期內發(fā)起多次通信的??場景時，難以滿足要求。赫優(yōu)訊以及德州儀器等公司針對特定的兩種網絡協議推??出了專用的協議轉換芯片，這種方法實時性能好，但是僅適用于特定網絡，通用??性太差。因此，如何完成此類非標準實時以太網的協議轉換，是一個值得研宄的??課題。??１．２．２非標準實時以太網主站研究現狀??網關是待轉換協議的主站，因此研宄非標準實時以太網的協議轉換網關，其??主站實現方式的研宄尤為重要。非標準實時以太網物理層與標準以太網相同，但??是通過專用通信芯片ＡＳＩＣ完成數據鏈路功能，屬于硬實時工業(yè)以太網。此外，??非標準實時以太網為提高帶寬利用率修改了以太網幀格式，縮短了幀頭長度；通??過專用通信芯片管理數據幀的收發(fā)，在硬件層面保證實時性，抖動校此類網絡??是“專網專用”，無法與標準以太網數據共存，操作人員在使用時無需
山東大學碩士學位論文??據幀準備完畢。??４．?ＦＰＧＡ按照事先配置的通信方式和通信周期將控制數據幀發(fā)送給非標準??實時以太網的從站；??５．從站設備將返回數據幀返回給網關；??６．網關將完整返回數據幀嵌入標準實時以太網數據幀的有效區(qū)域內，上傳??至ＩＰＣ標準控制器。??７．重復步驟２－６，完成非標準實時以太網周期通信。??網關１?非標準實時以太網１從站???１￣??％Ｓ５５ｒ?〇（Ｓ）?（｜Ｊ０??ＩＰＣ標準控制器?［?；?網關２?｜非標準實時狀網２祕一—??一＿ＨｎｉｉｆＴｌ?信網絡?Ｉ?ｉｎｒＵｄｆｌＵｅ??網關３?非標準實時以太網３從站??ｍ?ｍ＼?ｍ＼??ｉｌｉｌｉａ?３！?—８?—『??ＩＩｈｊ?ＨＩ？?Ｕｉｉ??圖２－１非標準實時以太網協議轉換方案??如圖２－２所示，ＩＰＣ標準控制器下發(fā)網絡數據幀格式與標準以太網數據幀格??式相同，有效數據區(qū)域內為下發(fā)至網關處的數據。網關處對應非標準實時以太網??的本周期的控制數據前有４ｂｙｔｅ索引和長度，方便網關進行解析。當本周期需下??發(fā)多條數據幀時，按照發(fā)送的先后順序依次排列，并通過不同的索引值間隔開。??｜前導碼｜開始符丨＠的地址丨源地址｜?ＶＬＡＮ標簽｜網絡類型?有效數據?｜幀校驗序列??７?ｂｙｔｅｓ?１?Ｂ?６?ｂｙｔｅｓ?６?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ?２?ｂｙｔｅｓ?４２－１０５０?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ??網關１數據?網關２數據?網關３數據??索引￣￣｜長度｜非標準實時以太網??｜?２?ｂｙｔｅｓ?２ｂｙｔｅｓ?完整數據帕＇??圖２－２以太網數據幀結構圖??１０??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]時間敏感型網絡技術綜述[J]. 宋華振. 自動化儀表. 2020(02)
[2]時間敏感網絡的關鍵協議及應用場景綜述[J]. 叢培壯,田野,龔向陽,闕喜戎,王文東. 電信科學. 2019(10)
[3]確定性網絡研究綜述[J]. 黃韜,汪碩,黃玉棟,鄭堯,劉江,劉韻潔. 通信學報. 2019(06)
[4]基于改進卡爾曼濾波的實時以太網時鐘同步優(yōu)化算法[J]. 史仲淵,張華,王旭浩. 浙江理工大學學報(自然科學版). 2019(05)
[5]OPC UA TSN——邁向工業(yè)互聯網新時代[J]. 智慧工廠. 2018(11)
[6]基于PTPd2的精密時鐘同步軟件實現方法[J]. 陶穩(wěn)靜,陸陽,衛(wèi)星,賈向利. 計算機工程. 2019(03)
[7]伺服驅動器MECHATROLINK-Ⅲ總線在多軸聯動數控機床上的應用[J]. 於成業(yè),楊春洋. 機械工程師. 2018(06)
[8]時間敏感網絡技術及其在工業(yè)互聯網中的應用[J]. 徐驍麟. 電信網技術. 2018(05)
[9]基于RTAI實時多線程的冗余雙臂機器人軸孔裝配方法研究[J]. 高強,趙江海,陳丹惠,趙子毅. 工業(yè)控制計算機. 2018(03)
[10]倍福 TSN耦合器EK1000[J]. 自動化博覽. 2018(01)
博士論文
[1]集成視覺的運動控制平臺設計及測試方法研究[D]. 孫好春.山東大學 2015
[2]網絡化運動控制系統(tǒng)的關鍵技術研究[D]. 姬帥.山東大學 2014
碩士論文
[1]時間敏感網絡中的時間同步技術研究[D]. 茹旭隆.西安電子科技大學 2018
[2]基于IEEE802.1AS的低延遲時間感知系統(tǒng)的設計與實現[D]. 鄭昊.西安電子科技大學 2018
[3]嵌入式實時通信網關服務器的設計與實現[D]. 張睿.南京大學 2018
[4]基于IEEE 802.1AS的時間同步技術研究[D]. 魯航.湖南大學 2018
[5]基于PROFINET的動態(tài)網關的研究及實現[D]. 李枚娟.成都理工大學 2017
[6]數控系統(tǒng)現場總線混聯技術研究與應用[D]. 陸篠華.華中科技大學 2017
[7]基于ERTEC 200P的PROFINET工控網關的研制[D]. 鄧正宇.西南科技大學 2017
[8]基于KRTS的總線式軟運動控制平臺設計及其實現[D]. 林寶.山東大學 2017
[9]基于EtherMAC總線的功能安全I/O從站研究與設計[D]. 田川.山東大學 2017
[10]工業(yè)以太網總線測試平臺研究[D]. 侯明江.山東大學 2015
本文編號：3245058
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3245058.html
