隨著工業(yè)4.0以及智能制造的發(fā)展,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸,但是當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)廠商提出的標(biāo)準(zhǔn)互不兼容,設(shè)備間無法直接實(shí)現(xiàn)互聯(lián),且無法與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共存。在這種情況下,時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN（Time Sensitive Network）應(yīng)運(yùn)而生,打通了信息技術(shù)（IT）層與運(yùn)營技術(shù)（OT）層,打造了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)互通的“一網(wǎng)到底”的新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。各工業(yè)以太網(wǎng)廠商都致力于將自身協(xié)議向TSN靠攏,保住市場(chǎng)份額。但是一些較小眾的不使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù),它們依賴專用通信芯片,無法直接與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)融合,需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。本文針對(duì)此類非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行了相關(guān)研究。本文首先對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展歷程及網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹,通過分析現(xiàn)有協(xié)議轉(zhuǎn)換方式的不足闡明了本課題的意義。本文通過分析非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換需求,提出“標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)控制器組包解析+FPGA網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)”的協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。本文研究了兩種典型的非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)相關(guān)機(jī)制,并將其專用通信芯片的組包解析功能和實(shí)時(shí)通信功能分別用工控機(jī)（IPC）和FPGA完成,替代專用通信芯片。本文分... 

【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：88 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分類??相應(yīng)的主站單元的實(shí)時(shí)性方案則根據(jù)使用集總幀或單幀輪詢通信方式，有不??

第１章緒論??結(jié)構(gòu)如圖１－２所示。網(wǎng)關(guān)設(shè)備既是網(wǎng)絡(luò)１的從站，又是網(wǎng)絡(luò)２的主站，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)??功能模塊指的是相關(guān)協(xié)議所需的專用硬件電路模塊。??網(wǎng)關(guān)??網(wǎng)絡(luò)１?網(wǎng)絡(luò)１?網(wǎng)絡(luò)２?網(wǎng)絡(luò)２??主節(jié)點(diǎn)?從節(jié)點(diǎn)?主節(jié)點(diǎn)?從節(jié)點(diǎn)??功能模?功能模??塊?塊??圖１－２網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)圖??當(dāng)網(wǎng)絡(luò)１主節(jié)點(diǎn)將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)首先解析網(wǎng)絡(luò)１的指令，然??后ＭＣＵ按照事先制定的兩種網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議映射，將網(wǎng)絡(luò)１的指令格式轉(zhuǎn)換為??網(wǎng)絡(luò)２的指令格式，并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)２的從節(jié)點(diǎn)。除負(fù)責(zé)協(xié)議映射外，ＭＣＵ運(yùn)行??兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層程序，完成協(xié)議的組包、解析以及相應(yīng)的外設(shè)控制等功能。這??種方案ＭＣＵ處協(xié)議映射關(guān)系復(fù)雜，操作系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是影響實(shí)時(shí)性能最主要??的因素，當(dāng)面對(duì)較小的通信周期（小于２５０微秒）或者一周期內(nèi)發(fā)起多次通信的??場(chǎng)景時(shí)，難以滿足要求。赫優(yōu)訊以及德州儀器等公司針對(duì)特定的兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議推??出了專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，這種方法實(shí)時(shí)性能好，但是僅適用于特定網(wǎng)絡(luò)，通用??性太差。因此，如何完成此類非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，是一個(gè)值得研宄的??課題。??１．２．２非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)主站研究現(xiàn)狀??網(wǎng)關(guān)是待轉(zhuǎn)換協(xié)議的主站，因此研宄非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，其??主站實(shí)現(xiàn)方式的研宄尤為重要。非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)物理層與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相同，但??是通過專用通信芯片ＡＳＩＣ完成數(shù)據(jù)鏈路功能，屬于硬實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。此外，??非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)為提高帶寬利用率修改了以太網(wǎng)幀格式，縮短了幀頭長(zhǎng)度；通??過專用通信芯片管理數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，在硬件層面保證實(shí)時(shí)性，抖動(dòng)校此類網(wǎng)絡(luò)??是“專網(wǎng)專用”，無法與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)共存，操作人員在使用時(shí)無需

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文??據(jù)幀準(zhǔn)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(shù)據(jù)幀發(fā)送給非標(biāo)準(zhǔn)??實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的從站；??５．從站設(shè)備將返回?cái)?shù)據(jù)幀返回給網(wǎng)關(guān)；??６．網(wǎng)關(guān)將完整返回?cái)?shù)據(jù)幀嵌入標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的有效區(qū)域內(nèi)，上傳??至ＩＰＣ標(biāo)準(zhǔn)控制器。??７．重復(fù)步驟２－６，完成非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)周期通信。??網(wǎng)關(guān)１?非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)１從站???１￣??％Ｓ５５ｒ?〇（Ｓ）?（｜Ｊ０??ＩＰＣ標(biāo)準(zhǔn)控制器?［?；?網(wǎng)關(guān)２?｜非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)狀網(wǎng)２祕(mì)一—??一＿ＨｎｉｉｆＴｌ?信網(wǎng)絡(luò)?Ｉ?ｉｎｒＵｄｆｌＵｅ??網(wǎng)關(guān)３?非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)３從站??ｍ?ｍ＼?ｍ＼??ｉｌｉｌｉａ?３！?—８?—『??ＩＩｈｊ?ＨＩ？?Ｕｉｉ??圖２－１非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換方案??如圖２－２所示，ＩＰＣ標(biāo)準(zhǔn)控制器下發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格??式相同，有效數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)為下發(fā)至網(wǎng)關(guān)處的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)處對(duì)應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)??的本周期的控制數(shù)據(jù)前有４ｂｙｔｅ索引和長(zhǎng)度，方便網(wǎng)關(guān)進(jìn)行解析。當(dāng)本周期需下??發(fā)多條數(shù)據(jù)幀時(shí)，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(dǎo)碼｜開始符丨＠的地址丨源地址｜?ＶＬＡＮ標(biāo)簽｜網(wǎng)絡(luò)類型?有效數(shù)據(jù)?｜幀校驗(yàn)序列??７?ｂｙｔｅｓ?１?Ｂ?６?ｂｙｔｅｓ?６?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ?２?ｂｙｔｅｓ?４２－１０５０?ｂｙｔｅｓ?４?ｂｙｔｅｓ??網(wǎng)關(guān)１數(shù)據(jù)?網(wǎng)關(guān)２數(shù)據(jù)?網(wǎng)關(guān)３數(shù)據(jù)??索引￣￣｜長(zhǎng)度｜非標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)??｜?２?ｂｙｔｅｓ?２ｂｙｔｅｓ?完整數(shù)據(jù)帕＇??圖２－２以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖??１０??

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3245058