動態(tài)可重構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、由于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)顯著的優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。但是眾多的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，致使同一工業(yè)現(xiàn)場時(shí)常出現(xiàn)多種協(xié)議共存，而單一設(shè)備僅能適應(yīng)一種網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際現(xiàn)場中，同一工廠不同應(yīng)用的工程實(shí)施時(shí)間不同，所采用的網(wǎng)絡(luò)會有所差異；同一系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間所用網(wǎng)絡(luò)也不盡相同。設(shè)計(jì)者和使用者時(shí)常會受到不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的問題困擾，不得不購置大量適用于不同控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，作為不同網(wǎng)絡(luò)的備件，來維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與完整性。多種網(wǎng)絡(luò)的并存使得工業(yè)設(shè)備的開發(fā)者和

2、使用者都面臨著巨大的考驗(yàn)，亟需一種具有動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信變化能力的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
　　為了使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以滿足多種不同工業(yè)以太網(wǎng)的通信需求，節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要具有在線辨識的能力，動態(tài)辨識所在網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議類型，同時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備還需要具有在線重構(gòu)的功能，在不斷開系統(tǒng)的情況下自動重配置節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部的協(xié)議類型。節(jié)點(diǎn)設(shè)備還需要能盡可能多的支持多種工業(yè)以太網(wǎng)，對應(yīng)的基礎(chǔ)資源庫構(gòu)建也非常重要。本文將局部動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的思想和方法應(yīng)用到工業(yè)以太網(wǎng)中，設(shè)計(jì)研究局

3、部動態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使得底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以兼容多種工業(yè)以太網(wǎng)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的復(fù)用性和互換性。研究中，構(gòu)建了針對三種工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)資源庫；建立了協(xié)議辨識算法；對局部動態(tài)重構(gòu)的方法進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。本文的主要研究工作如下：
　?。?）構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)資源庫。以FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)，對三種工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT、Powerlink和Modbus TCP/IP的通信模型及節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以硬件電路，F(xiàn)PGA的硬件邏輯，片上

4、可編程系統(tǒng)，以及在NiosII軟核中的軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，研發(fā)可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各以太網(wǎng)通信功能的基礎(chǔ)資源庫。
　　（2）動態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議在線辨識。在接入相應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)后，對網(wǎng)絡(luò)中的通信幀進(jìn)行解析，自動識別當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議類型。根據(jù)以太網(wǎng)通信幀的結(jié)構(gòu)，分析辨識原理，設(shè)計(jì)辨識電路，約定辨識節(jié)點(diǎn)，研究辨識節(jié)點(diǎn)值獲取算法，然后采用C4.5決策樹算法自動完成協(xié)議類型的識別。
　?。?）動態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)得工業(yè)以太網(wǎng)局部動態(tài)硬件

5、可重構(gòu)。將局部動態(tài)硬件可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)以太網(wǎng)中，按照可重構(gòu)方法六步驟，重構(gòu)配置，重構(gòu)劃分，重構(gòu)辨識，重構(gòu)規(guī)劃，重構(gòu)切換，重構(gòu)評估，設(shè)計(jì)研發(fā)局部動態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并分別對這六個步驟進(jìn)行了詳細(xì)的研究和開發(fā)。
　　最后搭建實(shí)物平臺，分別建立三種工業(yè)以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，將動態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依次接入三種網(wǎng)絡(luò)，通過信號抓取，實(shí)物觀測，通信仿真來判斷動態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否能夠在線辨識協(xié)議當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的類型，自動重構(gòu)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的協(xié)議類型，完成通信。從而