现场总线仪表网络的研究

论文摘要

现场总线是现代工业自动化控制系统的核心技术之一，它使得工业自动化控制系统能够具备分布式、开放性、高度智能化的特征，使得不同类型、不同厂商的工业测控产品能够方便地互联，使得工业自动化控制系统的工作效率、稳定性、对环境的适应性大大增强而成本显著下降。现场总线仪表网络是构成现场总线系统的基本组成部分，其性能好坏对工业控制系统至关重要。由于当前现场总线处于多标准并存并将长期并存的局面，各仪表生产厂家、系统集成商和行业的应用层协议存在大量差异，工业环境千差万别，因此造成现场总线仪表网络在兼容性、网络管理效率、网络抗干扰性能等方面还存在着大量问题。本文主要作了以下三方面的工作来研究解决这些问题的方法：1）设计并实现了一个嵌入式平台，基于该平台可以实现协议转换、计算、数据存储、转发、中继等功能。该平台主要解决设备兼容性问题并为实现优化的网络调度方法提供支撑；2）对网络结构和调度方法进行了改进，设计了一种基于四个端口、两组双绞线、分段连接和中继的现场总线仪表网络结构，给出了一种分层、分簇管理的网络调度方法，提高了系统的稳定性和全网巡测速度；3）针对某些强电磁干扰环境，提出了一种基于扩频技术的仪表数据传输方法。该方法在较少降低传输速率的情况下，能够较大程度地提高抗干扰性能。本文通过实际应用验证了所设计的嵌入式平台的有效性，通过仿真试验验证了所提出的网络结构和调度方法，以及数据传输方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 现场总线控制系统的发展历程
• 1.3 嵌入式系统的发展历程
• 1.4 论文的总体结构
• 第二章 现场总线及 MODBUS 协议
• 2.1 现场总线
• 2.1.1 现场总线论述
• 2.1.2 国内外现场总线的发展
• 2.1.3 现场总线常用协议
• 2.2 Modbus 协议
• 2.2.1 Modbus 协议概述
• 2.2.2 ModBus 两种传输方式
• 2.2.3 Modbus 信息帧
• 2.2.4 ModBus 错误检测
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于 ARM 的嵌入式平台设计
• 3.1 嵌入式系统论述
• 3.1.1 嵌入式系统概述
• 3.1.2 嵌入式系统的组成
• 3.1.3 嵌入式系统的应用
• 3.1.4 嵌入式系统的发展趋势
• 3.2 基于 ARM 的嵌入式系统设计
• 3.2.1 ARM 技术简介
• 3.2.2 嵌入式系统平台设计
• 3.2.3 系统应用
• 3.3 本章小结
• 第四章 仪表网络拓扑结构和调度方法研究
• 4.1 工业通信网络概述
• 4.1.1 工业通信网络的任务与工作环境
• 4.1.2 网络拓扑结构介绍
• 4.2 网络结构和调度方法设计
• 4.2.1 工业网络组织的原则
• 4.2.2 网络结构设计
• 4.2.3 调度方法研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于扩频技术的信道抗干扰方法研究
• 5.1 概述
• 5.2 扩频通信系统的基本原理
• 5.2.1 理论基础
• 5.2.2 扩频系统原理
• 5.2.3 主要特征
• 5.2.4 分类
• 5.3 直接序列扩频原理
• 5.3.1 组成与原理框图
• 5.3.2 主要特点
• 5.4 直接扩频系统的伪随机序列
• 5.4.1 伪随机序列
• 5.4.2 m 序列
• 5.4.3 Gold 序列
• 5.5 扩频系统的仿真
• 5.5.1 实现方法
• 5.5.2 仿真结果及讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间研究成果