2011 ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ Селезнева Д.А. на тему...
DESCRIPTION
ethernetTRANSCRIPT
1
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра ИТ-6 «Управление и моделирование систем»
Д И П Л О М Н Ы Й П Р О Е К Т
Селезнева Д.А.на тему
Разработка программно-аппаратных средств дляорганизации удалённого управления по сети Ethernet
Руководитель дипломного проекта: Мельников А.О.
Москва, 2011
Структура средств удалённого управления
2
Управляемое оборудование
Аппаратная платформа(Встраиваемые решения удалённого управления)
Рабочая станция оператора(Станция на базе ПК или отдельный пульт)
Средства связи(Каналы связи, коммутирующее оборудование)
Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)
Специализированные заказные схемы (ASIC)
Встраиваемые решения управления
3
Расширяемость только в рамках программы
Простота разработки
Сложность разработки
Высокая интегрируемость
Высокая цена разработки
Контроллеры
Отсутствие в открытом доступерешений удалённого управления
Отсутствие расширяемости
Простота разработки
Высокая интегрируемость
Низкая цена разработки
Хорошая расширяемость
Отсутствие законченных решенийорганизации связи по распространённымсетям общего назначения
Постановка задачи
4
Цель работы
• Выбор средств связи и набора протоколов взаимодействия• Выбор компонентов аппаратной платформы• Создание встраиваемых решений коммуникации с выбранными
средствами связи• Реализация протоколов взаимодействия• Проверка созданных решений
Разработка открытых встраиваемых решений удалённого управления оборудованием на базе микросхем программируемой логики.
Решаемые задачи
Средства связи
5
Ethernet 802.3 10BASE-T
RS485
Низкая скорость
Помехоустойчивость
Низкая цена оборудования
Необходимость развёртыванияинфраструктуры
Х10
Крайне низкая скорость
Разветвлённаяинфраструктура
Высокая цена оборудования
Оборудование Х10 создаёт сильнуюпомеху
802.11
Ограниченное расстояние
Беспроводной
Сильная зависимостьскорости от факторовсредыТребуется лицензияпри использованиивне помещения
Высокая скорость
Помехоустойчивость
Низкая цена оборудования
Как правило, наличиеготовой инфраструктуры
Простота применения
Модель межсетевого взаимодействия
6
Физическийуровень
Физическая связь,кабель, низкоуровневые
сетевые интерфейсы
Транспортныйуровень
Негарантированнаядоставка сообщений
Протокол UDPпередача без установки соединения
Прикладнойуровень
Работаприложений
Протокол Modbusуправление оборудованием
Канальныйуровень
Формат фрейма,физическая адресация,
контроль доступаПреамбула Адрес
назначения Адрес
отправителя Тип Данные CRC Межфреймовый
промежуток
Фрейм Ethernet II
7 байт 6 байт 6 байт 2 байта 46-1500 байт 4 байта 12 байт
Сетевойуровень
Логическая адресация,маршрутизация,
диагностика
Протокол ARPопределение физического адреса
Протокол IP
Протокол ICMPдиагностика
Интерфейсная микросхема сопряжения Ethernet 10BASE-T
Блок гальванической
развязки
Кабель Cat 5 «витая пара»
Протокол Modbus
7
Таблица Тип элемента Тип доступа
Дискретные входы (Discrete Inputs) один бит только чтение
Регистры флагов (Coils) один бит чтение и запись
Регистры ввода (Input Registers)
16-битное слово только чтение
Регистры хранения (Holding Registers)
16-битное слово чтение и запись
ID транзакции ID протокола длина пакета адрес ведомого устройства код операции данные
Данные
Пакет
Операции
Назначение операции Код операции
Считать дискретные входы 2
Считать флаговые регистры 1
Записать значение флага 5
Считать регистры ввода 4
Считать регистры хранения 3
Записать в одиночный регистр 6
• Используется промышленностью с 1979 года• Адаптирован для работы поверх стека протоколов TCP/IP• Транзакционный• Открытая спецификация
Аппаратная платформа
8
ПЛИС Xilinx XC3S1200E
• Реализация средств межсетевого взаимодействия Ethernet
• Управление оборудованием
Интерфейс 10BASE-T от Davicom
Структура аппаратной платформы
9
Канальныйуровень
MAC
Процессор
AVR
Состояниепереключателей
Управлениеиндикаторами
Инт
ерф
ейс
10BA
SE-T
Тактовыйгенератор 50 МГц
Формировательсинхросигнала и сброса
Коммутаторобщей шины
InterConСопр
яжен
ие с
об
щей
шин
ойAv
rWbW
rape
r
ПереключателиИндикаторы
ПЛИС
Модуль MAC
10
Регистры управления и статуса
Подмодуль передачи
Подмодуль приёма
Интерфейсная микросхемаEthernet 10BASE-T
Общая шина межкомпонентного взаимодействия ПЛИС
Буфер
MAC
Подмодуль конфигурации
Программный процессор
11
ПроцессорВзаимодействие с
общей шиной Wishbone
Работа с модулем MAC
IP
Логика управления интерфейсными модулями
управляемого оборудования
UDPICMP ARP
Modbus-UDP
Modbus транзакция
12
Рабочая станция оператора
Аппаратная платформа
Запрос
Ответ
Приёмник MAC
Стек протоколов
Управление оборудованием
Передатчик MAC
Приём данных
13
Ожидание
Заголовок
Преамбула
Младший полубайт
Старший полубайт
Приём неудачен
Приём успешен
Обработка данных
14
Считать фрейм из буфера MAC
Обработать фрейм
Обработать ARP сообщение
Обработать IP пакет
Обработать ICMP пакет
Обработать UDP пакет
Сформировать фрейм
Поместить фрейм в буфер MAC и
пометить готовым к отправке
Сформировать IP пакет
Обработать Modbus пакет
Записать в одиночный
регистр
Записать значение флага
Считать значение дискретных
входов
…
Сформировать UDP пакет
...
Передача данных
15
Ожидание
Пропуск периода
Преамбула
Данные
Выравнивание
Контрольная сумма
Межфреймовый промежуток
Прикладное программное обеспечение
16
Сторонняя библиотека PyModbus
Клиент демонстрационного стенда
• Использование готовых решений• Верификация созданных средств
• Наглядная демонстрация работы созданных средств• Проверка работоспособности аппаратной платформы
GUI
PyModbus
Pyth
on
PyQt4
Qt4
Опрос платформыРазработанные программно-
аппаратные средства под микросхему
программируемой логики
Организационно-экономический раздел
Наименование работ
Календарные дни, недели, месяцы
Январь Февраль Март Апрель Май
20 31 1 10 20 28 1 10 20 31 1 10 20 30 1 10 20 31
Постановка задачи
Подбор литературы
Сбор исходных данных
Определение требований к системе
Определение стадий, этапов и сроков разработки ПАС
Анализ схожих ПАС
Разработка общей структуры ПАC
Разработка структуры ПАС по подсистемам
Документирование
Определение требований к ПАC
Выбор инструментальных средств
Определение свойств и требований к аппаратному обеспечению
Реализация аппаратных средств
Программирование
Тестирование и отладка ПАC
Разработка программной документации
Согласование и утверждение программы и методики испытаний
Опытная эксплуатация
Анализ данных полученных в результате эксплуатации
Корректировка технической документации по результатам испытаний
17
Результаты работы
18
Проведён обзор
Разработаны
Применения
• Методов коммуникаций, интерфейсов связи• Компонентов аппаратной платформы
• Программно-аппаратные средства связи с сетями Ethernet• Средства удалённого управления оборудованием• Реализация промышленного протокола управления
• Сопряжение цифрового оборудования с сетями Ethernet• Системы удалённого управления индикацией и оповещением• Преобразователи интерфейсов (шлюзы)• Системы «умный дом»
19
Начать демонстрацию
Демонстрация разработанных средств