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