随着计算机控制技术和无线通信技术的不断进步,网络化控制系统(Networked Control System,NCS)也得以快速发展。当前,我国工业企业正逐步采用具有无线通信能力的智能终端设备,取代传统仪器仪表,以减少传统传输媒介限制,克服有线方式带来现场设备可能面临的旋转缠绕或者移动难题,解决可能遇到的现场环境恶劣致使人员无法到达的弊端情况。某仪表自动化公司为提升产品质量、扩大市场规模,降低开发成本,委托本论文研究者所在的实验室开发了一个低成本、小规模的ZigBee网络控制系统,该ZigBee网络控制系统可快速准确地完成节点的组网、组态和在线轮询功能,满足实际应用的需求。本论文在继承现有成果基础上,针对ZigBee网络控制系统,开展了新型网络系统拓扑设计,研发了多信道组簇新技术,增强了协调器与各簇首主从通信、簇内节点隐性令牌通信这两者之间的并行同步工作能力,提高通信效率,扩大了网络控制系统在线轮询的接入设备数,建立了面向应用的容错及健康诊断机制,提高系统的鲁棒性。本论文主要内容如下:1)系统设计。ZigBee网络化控制系统由上位机、协调器网关和令牌簇三部分组成,基于多信道分簇的技术思想进行系统框架方案设计。上位机通过工业以太网与协调器通信连接,协调器与令牌簇通过ZigBee无线模块进行通信。令牌簇结构包括一个簇首节点和多个簇内节点。簇首节点配置两个ZigBee模组,分别工作在不同的信道上,用于区别簇内通信和簇间通信,互不干扰。协调器与各簇间使用固定信道通信,严格遵守主从轮询通信;单个网络簇内则分配全网唯一数据通信信道,采用令牌通信。令牌组簇的思想在于,簇内节点自定义协议组网,将簇内各智能设备节点之间的通信机制改造成隐形令牌传输机制,收到轮询请求命令的簇内节点抢占令牌,获得簇内信道使用权,将采样数据与请求命令打包作为新的令牌传递给簇内下一个指定节点,完成簇内节点数据逐一向后传递,同时释放令牌使用权。采用隐形令牌通信机制,与点对点主从通信相比,减少数据通信传递次数,并且去除冗余的报头报尾,提高网络带宽资源利用率;簇内通信、簇间通信各自独立,可同步进行,互不影响。结合网络控制系统令牌簇技术,设计相应的容错和健康诊断机制,令牌簇内节点发生故障,响应超时,簇内下一指定节点依自定义协议组帧作为令牌定时触发、主动上传,避免簇内节点故障造成该簇崩溃,保障系统鲁棒性。2)硬件设计。完成簇首节点硬件方案设计,能够使多信道网络控制系统令牌组簇通信正常运行。为满足簇首节点和令牌组簇网络的工作性能,同时基于功耗和成本考虑因素,选取STM32F072作为MCU主控制芯片;设计簇首节点最小系统电路作为网络控制系统多信道组簇技术能够正常实现的基础;设计ZigBee、USART串口通信和USB串口调试的硬件接口电路,用于实现通信及在线调试功能;为提高数据采样速度、精度及数据准确度,采用片外ADC芯片并设计相应外围电路;使用MCU片内FLASH的存储能力进行网络控制系统令牌簇的簇成员和数据管理。随着计算机控制技术和无线通信技术的不断进步,网络化控制系统(Networked Control System,NCS)也得以快速发展。当前,我国工业企业正逐步采用具有无线通信能力的智能终端设备,取代传统仪器仪表,以减少传统传输媒介限制,克服有线方式带来现场设备可能面临的旋转缠绕或者移动难题,解决可能遇到的现场环境恶劣致使人员无法到达的弊端情况。某仪表自动化公司为提升产品质量、扩大市场规模,降低开发成本,委托本论文研究者所在的实验室开发了一个低成本、小规模的ZigBee网络控制系统,该ZigBee网络控制系统可快速准确地完成节点的组网、组态和在线轮询功能,满足实际应用的需求。本论文在继承现有成果基础上,针对ZigBee网络控制系统,开展了新型网络系统拓扑设计,研发了多信道组簇新技术,增强了协调器与各簇首主从通信、簇内节点隐性令牌通信这两者之间的并行同步工作能力,提高通信效率,扩大了网络控制系统在线轮询的接入设备数,建立了面向应用的容错及健康诊断机制,提高系统的鲁棒性。本论文主要内容如下:1)系统设计。ZigBee网络化控制系统由上位机、协调器网关和令牌簇三部分组成,基于多信道分簇的技术思想进行系统框架方案设计。上位机通过工业以太网与协调器通信连接,协调器与令牌簇通过ZigBee无线模块进行通信。令牌簇结构包括一个簇首节点和多个簇内节点。簇首节点配置两个ZigBee模组,分别工作在不同的信道上,用于区别簇内通信和簇间通信,互不干扰。协调器与各簇间使用固定信道通信,严格遵守主从轮询通信;单个网络簇内则分配全网唯一数据通信信道,采用令牌通信。令牌组簇的思想在于,簇内节点自定义协议组网,将簇内各智能设备节点之间的通信机制改造成隐形令牌传输机制,收到轮询请求命令的簇内节点抢占令牌,获得簇内信道使用权,将采样数据与请求命令打包作为新的令牌传递给簇内下一个指定节点,完成簇内节点数据逐一向后传递,同时释放令牌使用权。采用隐形令牌通信机制,与点对点主从通信相比,减少数据通信传递次数,并且去除冗余的报头报尾,提高网络带宽资源利用率;簇内通信、簇间通信各自独立,可同步进行,互不影响。结合网络控制系统令牌簇技术,设计相应的容错和健康诊断机制,令牌簇内节点发生故障,响应超时,簇内下一指定节点依自定义协议组帧作为令牌定时触发、主动上传,避免簇内节点故障造成该簇崩溃,保障系统鲁棒性。2)硬件设计。完成簇首节点硬件方案设计,能够使多信道网络控制系统令牌组簇通信正常运行。为满足簇首节点和令牌组簇网络的工作性能,同时基于功耗和成本考虑因素,选取STM32F072作为MCU主控制芯片;设计簇首节点最小系统电路作为网络控制系统多信道组簇技术能够正常实现的基础;设计ZigBee、USART串口通信和USB串口调试的硬件接口电路,用于实现通信及在线调试功能;为提高数据采样速度、精度及数据准确度,采用片外ADC芯片并设计相应外围电路;使用MCU片内FLASH的存储能力进行网络控制系统令牌簇的簇成员和数据管理。
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