过程气体分析仪表IPv6网络化的研究

【摘要】过程气体分析仪主要用于工业过程中气体浓度或成分的在线实时分析。传统的过程气体分析仪一般使用串口进行通信，这种方式在数据传输距离上有一定限制。随着计算机和网络技术的发展，仪表与网络之间的关系越来越紧密，仪表发展迎来了前所未有的空间和机遇。过程气体分析仪网络化可以实现仪表状态远程监控和数据广域共享，有效提高测量效率，通过网络可以随时随地监控工业过程。目前，仪表的网络化一般都采用IPv4网络协议，但IPv4地址已经严重匮乏，不能够满足日益增长的终端设备对IP地址的需求。由于IPv6协议提供几乎无限的地址分配空间，能够很好地解决了终端设备的寻址问题，因而仪表采用IPv6协议作为基本的通信协议进行网络化是必然趋势。研究过程气体分析仪的IPv6网络化具有重大的实用意义和研究价值。本文以激光在线气体分析仪为应用背景，设计了“IPv6网络接口控制器”，实现仪表原有串口数据与IPv6数据包的相互转化，在仪表最小幅度改动的原则下，完成了仪表的IPv6网络化通信。论文首先简单介绍了激光在线气体分析仪的测量原理、系统组成和目前通信方式，然后对IPv6协议簇进行了详细介绍，包括IPv6、ICMPv6、邻居发现、UDP和TCP协议，分析了这些协议的原理、功能以及报头结构。其次根据目前过程气体分析仪表广泛使用的通信基本为RS-232、RS-485等串口通信，提出一种使用IPv6网络接口控制器，实现仪表现有串口转IPv6网络接口的网络化方案。然后硬件电路设计部分主要对这一网络接口控制器各模块进行硬件选型及设计，包括MCU、网络控制芯片以及外部存储单元电路。选取了ARM7内核嵌入式处理器LPC2106作为主控制芯片，选用ENC28J60作为网络控制芯片。接着介绍了网络接口控制器IPv6协议设计部分，它是论文的核心。针对嵌入式系统有限的资源，分析了协议栈的裁减以及协议栈的数据处理流程；探讨了LwIP嵌入式协议栈的内存管理、网络接口管理；完成了网络控制芯片底层驱动程序设计；并在LwIP协议栈基础进行了修改并增添IPv6功能，设计与实现了IPv6、ICMPv6、邻居发现、UDP以及TCP协议。最后，本文对系统进行测试和结果分析。使用wireshark对IPv6、ICMPv6、邻居发现、UDP以及TCP协议报文进行抓包分析，结果表明网络接口控制器为过程气体分析仪表提供了IPv6通信功能，完成了仪表的IPv6网络化。
【作者】沈豪敏；
【导师】王健；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】过程气体分析仪；网络化；IPv6；网络接口控制器；LwIP；

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