大學生創(chuàng)新實驗項目

1、一、項目實施的目的、意義在經(jīng)濟、交通高速發(fā)展的同時，也引發(fā)了能源緊缺、石油漲價、城市污染嚴重等問題。為了滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展的最終能源選擇，代替煤炭、石油的新能源的開發(fā)被越來越多國家政府所重視。而作為新能源體系不可或缺的重要組成部分，蓄電池受到大型電動車輛、電動工具、太陽能及風力發(fā)電儲能設(shè)備、UPS、醫(yī)療儀器設(shè)備等市場越來越多的關(guān)注。但是當前蓄電池存在諸多問題，如：快速充放電性能差、價格過高和過充放電保護問題，在過充或濫用的情況下，電池可能發(fā)生火災(zāi)或者爆炸。因此，為確保電池性能良好、延長電池的使用壽命和優(yōu)化匹配系統(tǒng)動力參數(shù)，必須對電池進行有效的實時監(jiān)測，從而確保各種設(shè)備正常、可靠、安全的運行

2、。近年來，以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架逐漸在通信、自動化控制領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為代表，成熟度較高的開放式網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)正向各種自動化系統(tǒng)滲透，連接并控制其設(shè)備。而在工業(yè)控制和通訊的嵌入式設(shè)備中，更多的是采用RS-232、RS-485、CAN等總線將微處理器組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)的通信距離比較有限，有關(guān)的通信協(xié)議也比較少，并且一般是孤立于Internet之外的。隨著嵌入式應(yīng)用的普及，利用嵌入式技術(shù)解決聯(lián)網(wǎng)問題日益引人關(guān)注。在信息化進程中，如何實現(xiàn)資源共享已經(jīng)是幾乎所有電氣設(shè)備需要解決的技術(shù)問題。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，大量的測控設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備、過程控制設(shè)備等，

3、面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求。解決上述問題的有效方法就是為這些設(shè)備開發(fā)具有以太網(wǎng)接口的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)又被稱為網(wǎng)間協(xié)議變換器，用于連接采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。當要求一個報文從一個網(wǎng)段發(fā)送到另一個網(wǎng)段時，網(wǎng)關(guān)完成對該報文的接收、翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)工作。此類網(wǎng)關(guān)傳統(tǒng)上都采用8位或16位單片機來實現(xiàn)，受到運算能力、存儲空間的限制，這些網(wǎng)關(guān)僅能提供低速和小數(shù)據(jù)量的以太網(wǎng)接入，而且實時性差，不能滿足電池大量監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸要求。此外，這些網(wǎng)關(guān)設(shè)備只支持特定設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換，通用性較差，限制了其使用。本項目基于以上背景，結(jié)合以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的最新發(fā)展情況，研究并設(shè)計了多通信接口的嵌入式網(wǎng)關(guān)，為進一步完善基

4、于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了一種新的方法，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的遠程監(jiān)控和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠距離采集以及傳輸。該嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠解決傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)所帶來的一系列問題，能夠提供高速以及大數(shù)據(jù)量的以太網(wǎng)接入，實時性較好，且能滿足大量監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｍ瑫r也為以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制打下基礎(chǔ)。根據(jù)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的背景與趨勢，本項目設(shè)計具有一定的先進性，也符合工業(yè)控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢和要求，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域會有著重要意義。二、項目研究現(xiàn)狀與分析網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品就是將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，核心工作是將不同網(wǎng)絡(luò)中的不同協(xié)議進行轉(zhuǎn)換。國外的總線廠商在既順應(yīng)用戶要求，也不放棄自己原有產(chǎn)品的原則下，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換

5、的網(wǎng)關(guān)方案。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層協(xié)議的轉(zhuǎn)換一般有兩種。一種是現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包內(nèi)的傳輸，典型例子有CI、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(IE)和ODVA開發(fā)的Ethernet/IP、FF開發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))、Schneider Electric開發(fā)的Modbus TCP/IP，這些廠商的現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到現(xiàn)場總線/以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)后，現(xiàn)場總線報文基本上沒有什么變化，作為“用戶數(shù)據(jù)”嵌入到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，經(jīng)網(wǎng)關(guān)送入以太網(wǎng)。另外一種網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品在現(xiàn)場總線之上傳送封裝有TCP/IP的數(shù)據(jù)包，Interbus就是這種解決方案，網(wǎng)關(guān)將TCP/IP報文分割為若干個小型數(shù)據(jù)包，封裝在Interbus的參數(shù)通道進行傳輸，其

6、總和幀協(xié)議仍保持不變，這些被分割的數(shù)據(jù)包在接收方重新裝配從而恢復為原來的TCP/IP報文，這種方案對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有比較高的要求?，F(xiàn)在的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的協(xié)議一般采用第一種“封裝”的方法。國內(nèi)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品起步較晚，但在以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備開發(fā)上，已經(jīng)有很多公司和科研院投入進來。比如北京和利時工控公司開發(fā)了擁有自己知識產(chǎn)權(quán)的MACS-SCADA大型綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)控制器實現(xiàn)與局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的。但從TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)來看，有以下幾種方案：一種是高檔32位CPU與嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)合實現(xiàn)，由于CPU的高性能和豐富的外圍存儲資源，以及嵌入式操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧使得這種方

7、案效果很好，但是成本非常高。一種是8位單片機與軟件開發(fā)包的組合，比如Rabbit公司的Rabbit2000等系列的8位單片機與Z-WORLD公司的Dynamic C軟件的組合，供用戶二次開發(fā)的RCM2100模板提供了無版稅的TCP/IP協(xié)議棧，用戶像調(diào)用庫函數(shù)一樣來實現(xiàn)自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但是CAN接口還要用戶自己實現(xiàn)；還有就是Scenix公司設(shè)計的8位高速CPU與TCP/IP軟件包的組合。還有一種EMIT技術(shù)，該技術(shù)利用微機系統(tǒng)或高性能的嵌入式系統(tǒng)作為emGateway將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與Internet互連，向上提供TCP/IP協(xié)議，向下用CAN等輕型網(wǎng)絡(luò)連接到嵌入式設(shè)備，嵌入式設(shè)備有駐留程序em

8、Micro，emMicro與emGateway之間的通訊采用產(chǎn)品規(guī)定的協(xié)議，需要用戶了解，這種方案也并不簡化。采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合控制網(wǎng)絡(luò)，可以解決不同協(xié)議標準現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成問題，構(gòu)建出真正全開放、全分散的控制網(wǎng)絡(luò)。兩層網(wǎng)絡(luò)之間采用嵌入式網(wǎng)關(guān)(Embedded Gateway，EmGateway)實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫連接。嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了高速以太網(wǎng)和相對低速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，以及TCP/IP協(xié)議到各種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換。這種混合網(wǎng)絡(luò)控制方案解決了不同標準現(xiàn)場總線由于不能互操作而帶來的分散性和開放性問題，另外還易于實現(xiàn)基于Internet的遠程控制?？傊?，隨著微電子和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)

9、展，以性能優(yōu)良的16位和32位處理器為核心的單板控制系統(tǒng)正在取代微機成為現(xiàn)場總線/以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的主流產(chǎn)品。三、項目研究內(nèi)容和目標3.1 項目研究內(nèi)容本項目首先分析介紹了電池監(jiān)控系統(tǒng)以及嵌入式網(wǎng)關(guān)的研究背景，并針對目前傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)存在的問題，本項目研究并設(shè)計了多通信接口的嵌入式網(wǎng)關(guān)。在該系統(tǒng)中，通過有線或者無線組網(wǎng)方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送給嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端顯示，達到了對各項參數(shù)狀態(tài)進行監(jiān)控管理的目的。所設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠完成各種輕型協(xié)議(如RS-485，CAN等)與Internet網(wǎng)上的重型協(xié)議(如TCP/IP)之間的轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)通過Internet與遠程的各個不同協(xié)議的小型網(wǎng)

10、絡(luò)中的嵌入式智能設(shè)備進行通信。嵌入式網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件電路設(shè)計。包括：微處理器的選型，以太網(wǎng)控制器的設(shè)計，多路本地通信接口的設(shè)計(RS232接口，RS485接口，CAN總線接口等)，繪制原理圖、PCB板，對元器件焊接，并進行外殼和安裝工藝設(shè)計。2. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計。包括：軟件構(gòu)架設(shè)計，嵌入式操作系統(tǒng)的移植以及服務(wù)器的配置，Internet接口模塊設(shè)計，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的設(shè)計，內(nèi)網(wǎng)通信模塊以及設(shè)備通信模塊的設(shè)計。3. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的調(diào)試。將所設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于電池遠程監(jiān)控系統(tǒng)中進行測試，進行穩(wěn)定性和可靠性驗證。圖1 嵌入式網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)框圖3.2 項目研究目標

11、設(shè)計一款多通信接口的嵌入式網(wǎng)關(guān)，并將該嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于電池遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，使該嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠程監(jiān)控服務(wù)器，從而達到對電池各項參數(shù)狀態(tài)進行監(jiān)控管理的目的。四、項目技術(shù)路線（方法）與進度4.1 項目技術(shù)路線1. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件電路設(shè)計。嵌入式微處理器選擇三星公司的ARM9系列的微處理器，以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS，多路本地通信接口選擇RS232接口、RS485接口，以及CAN總線接口。嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖2. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計。嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)圖3. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的調(diào)試。將嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于電池遠程監(jiān)控系統(tǒng)中進行測試，進行穩(wěn)定性和可靠性驗證。4.2 項目進度2015.06-2015.09：對國內(nèi)外嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案進行深入的調(diào)查和研究，確定系統(tǒng)總體方案，并論證方案的可行性。2015.10-2016.01：嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計。包括ARM主控系統(tǒng)設(shè)計，以太網(wǎng)控制器模塊設(shè)計，多路本地通信接口設(shè)計(RS232接口，RS485接口，CAN總線接口等)。2016.02-2016.05：嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計。包括整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計，嵌入式操作系統(tǒng)的移植以及服務(wù)器的配置，Internet接口模塊的設(shè)計，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的設(shè)計以及設(shè)備通信模塊的設(shè)計等。2016.06-2016.09：嵌入