大学生创新实验项目.docVIP

一、项目实施的目的、意义 在经济、交通高速发展的同时，也引发了能源紧缺、石油涨价、城市污染严重等问题。为了满足人类社会可持续发展的最终能源选择，代替煤炭、石油的新能源的开发被越来越多国家政府所重视。而作为新能源体系不可或缺的重要组成部分，蓄电池受到大型电动车辆、电动工具、太阳能及风力发电储能设备、UPS、医疗仪器设备等市场越来越多的关注。但是当前蓄电池存在诸多问题，如：快速充放电性能差、价格过高和过充放电保护问题，在过充或滥用的情况下，电池可能发生火灾或者爆炸。因此，为确保电池性能良好、延长电池的使用寿命和优化匹配系统动力参数，必须对电池进行有效的实时监测，从而确保各种设备正常、可靠、安全的运行。 近年来，以太网/互联网等网络构架逐渐在通信、自动化控制领域中得到广泛的应用，以TCP/IP网络传输协议为代表，成熟度较高的开放式网络通信技术正向各种自动化系统渗透，连接并控制其设备。而在工业控制和通讯的嵌入式设备中，更多的是采用RS-232、RS-485、CAN等总线将微处理器组网，这种网络的通信距离比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于Internet之外的。随着嵌入式应用的普及，利用嵌入式技术解决联网问题日益引人关注。在信息化进程中，如何实现资源共享已经是几乎所有电气设备需要解决的技术问题。在传统的工业控制领域，大量的测控设备，如仪器仪表、数据采集和显示设备、过程控制设备等，面临更紧迫的联网需求。 解决上述问题的有效方法就是为这些设备开发具有以太网接口的网关。网关又被称为网间协议变换器，用于连接采用不同通信协议的网络，实现网络之间的数据传输。当要求一个报文从一个网段发送到另一个网段时，网关完成对该报文的接收、翻译与转发工作。此类网关传统上都采用8位或16位单片机来实现，受到运算能力、存储空间的限制，这些网关仅能提供低速和小数据量的以太网接入，而且实时性差，不能满足电池大量监控数据传输要求。此外，这些网关设备只支持特定设备的协议转换，通用性较差，限制了其使用。 本项目基于以上背景，结合以太网和现场总线技术的必威体育精装版发展情况，研究并设计了多通信接口的嵌入式网关，为进一步完善基于以太网的控制网络结构提出了一种新的方法，实现了现场设备的远程监控和现场数据的远距离采集以及传输。该嵌入式网关能够解决传统网关所带来的一系列问题，能够提供高速以及大数据量的以太网接入，实时性较好，且能满足大量监控数据传输的要求。同时也为以太网技术应用于工业现场控制打下基础。根据工业领域发展的背景与趋势，本项目设计具有一定的先进性，也符合工业控制系统未来的发展趋势和要求，在工业应用领域会有着重要意义。 二、项目研究现状与分析 网关产品就是将异构网络进行互联，核心工作是将不同网络中的不同协议进行转换。国外的总线厂商在既顺应用户要求，也不放弃自己原有产品的原则下，实现了现场总线协议与TCP/IP协议转换的网关方案。网关应用层协议的转换一般有两种。一种是现场总线数据包在以太网数据包内的传输，典型例子有CI、工业以太网协会(IE)和ODVA开发的Ethernet/IP、FF开发的HSE(高速以太网)、Schneider Electric开发的Modbus TCP/IP，这些厂商的现场总线协议数据在发送到现场总线/以太网的网关后，现场总线报文基本上没有什么变化，作为“用户数据”嵌入到以太网数据帧，经网关送入以太网。另外一种网关产品在现场总线之上传送封装有TCP/IP的数据包，Interbus就是这种解决方案，网关将TCP/IP报文分割为若干个小型数据包，封装在Interbus的参数通道进行传输，其总和帧协议仍保持不变，这些被分割的数据包在接收方重新装配从而恢复为原来的TCP/IP报文，这种方案对网络节点有比较高的要求。现在的网关产品的协议一般采用第一种“封装”的方法。 国内的现场总线产品起步较晚，但在以太网与现场总线联网的设备开发上，已经有很多公司和科研院投入进来。比如北京和利时工控公司开发了拥有自己知识产权的MACS-SCADA大型综合监控系统，由CAN/Ethernet网关控制器实现与局域网联网的。 但从TCP/IP协议栈的实现来看，有以下几种方案：一种是高档32位CPU与嵌入式操作系统的结合实现，由于CPU的高性能和丰富的外围存储资源，以及嵌入式操作系统的TCP/IP协议栈使得这种方案效果很好，但是成本非常高。一种是8位单片机与软件开发包的组合，比如Rabbit公司的Rabbit2000等系列的8位单片机与Z-WORLD公司的Dynamic C软件的组合，供用户二次开发的RCM2100模板提供了无版税的TCP/IP协议栈，用户像调用库函数一样来实现自己的网络应用，但是CAN接口还要用户自己实现；还有就是Scenix公司设计的8位高速CPU与TCP/IP软件