ethernet

1. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра ИТ-6 «Управление и моделирование систем»
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Селезнева Д.А.
на тему
Разработка программно-аппаратных средств для
организации удалённого управления по сети Ethernet
Руководитель дипломного проекта: Мельников А.О.
Москва, 2011
1

2. Структура средств удалённого управления
Управляемое оборудование
Аппаратная платформа
(Встраиваемые решения удалённого управления)
Средства связи
(Каналы связи, коммутирующее оборудование)
Рабочая станция оператора
(Станция на базе ПК или отдельный пульт)
2

3. Встраиваемые решения управления
Специализированные
заказные схемы (ASIC)
Контроллеры
Высокая интегрируемость
Простота разработки
Сложность разработки
Расширяемость только в рамках
программы
Высокая цена разработки
Отсутствие расширяемости
Программируемые логические
интегральные схемы (ПЛИС)
Высокая интегрируемость
Простота разработки
Низкая цена разработки
Хорошая расширяемость
Отсутствие в открытом доступе
решений удалѐнного управления
Отсутствие законченных решений
организации связи по распространѐнным
сетям общего назначения
3

4. Постановка задачи
Цель работы
Разработка открытых встраиваемых решений удалённого
управления оборудованием на базе микросхем
программируемой логики.
Решаемые задачи
• 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
4

5. Средства связи
RS485
Помехоустойчивость
Низкая скорость
Низкая цена
оборудования
Необходимость
развѐртывания
инфраструктуры
Х10
Разветвлѐнная
инфраструктура
Крайне низкая
скорость
Высокая цена
оборудования
Оборудование Х10
создаѐт сильную
помеху
802.11
Беспроводной
Ограниченное
расстояние
Сильная зависимость
скорости от факторов
среды
Требуется лицензия
при использовании
вне помещения
Ethernet 802.3 10BASE-T
Помехоустойчивость
Простота применения
Высокая скорость
Низкая цена
оборудования
Как правило, наличие
готовой инфраструктуры
5

6. Модель межсетевого взаимодействия
Формат фрейма,
Канальный
физическая адресация,
уровень
контроль доступа
Блок
гальванической
развязки
Кабель Cat 5
«витая пара»
Сетевой
уровень
Транспортный Негарантированная
доставка сообщений
уровень
Прикладной
уровень
Работа
приложений
Преамбула
Адрес
назначения
7 байт
Логическая адресация,
маршрутизация,
диагностика
Интерфейсная микросхема
сопряжения Ethernet 10BASE-T
Фрейм Ethernet II
Адрес
отправителя
6 байт
6 байт
Тип
Физическая связь,
Физический
кабель, низкоуровневые
уровень
сетевые интерфейсы
CRC
2 байта 46-1500 байт
Протокол ARP
определение физического адреса
Межфреймовый
промежуток
4 байта
Данные
12 байт
Протокол IP
Протокол ICMP
диагностика
Протокол UDP
передача без установки соединения
Протокол Modbus
управление оборудованием
6

7. Протокол Modbus
•
•
•
•
Используется промышленностью с 1979 года
Адаптирован для работы поверх стека протоколов TCP/IP
Транзакционный
Открытая спецификация
Операции
Данные
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
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
Пакет
ID транзакции
ID протокола
длина пакета
адрес ведомого устройства
код операции
данные
7

8. Аппаратная платформа
Интерфейс 10BASE-T от Davicom
ПЛИС Xilinx XC3S1200E
• Реализация средств межсетевого
взаимодействия Ethernet
• Управление оборудованием
8

9. Структура аппаратной платформы
Тактовый
генератор 50 МГц
AVR
Сопряжение с
общей шиной
AvrWbWraper
Процессор
Коммутатор
общей
шины
InterCon
Канальный
уровень
MAC
Управление
индикаторами
Состояние
переключателей
Индикаторы
Интерфейс
10BASE-T
Формирователь
синхросигнала и сброса
ПЛИС
Переключатели
9

10. Модуль MAC
Общая шина межкомпонентного взаимодействия ПЛИС
MAC
Регистры управления и статуса
Буфер
Подмодуль
передачи
Подмодуль
приёма
Интерфейсная микросхема
Ethernet 10BASE-T
Подмодуль
конфигурации
10

11. Программный процессор
Процессор
Взаимодействие с
общей шиной
Wishbone
Работа с модулем
MAC
Логика управления
интерфейсными модулями
управляемого оборудования
IP
ICMP
UDP
ARP
Modbus-UDP
11

12. Modbus транзакция
Приёмник MAC
Запрос
Рабочая станция
оператора
Аппаратная
платформа
Ответ
Стек протоколов
Управление
оборудованием
Передатчик
MAC
12

13. Приём данных
Ожидание
Заголовок
Преамбула
Младший полубайт
Старший полубайт
Приём неудачен
Приём успешен
13

14. Обработка данных
Считать фрейм из
буфера MAC
Обработать
фрейм
Обработать IP
пакет
Обработать ICMP
пакет
Обработать UDP
пакет
Обработать
Modbus пакет
Сформировать IP
пакет
Сформировать
фрейм
Поместить фрейм в
буфер MAC и
пометить готовым
к отправке
Сформировать
UDP пакет
...
Обработать ARP
сообщение
Считать значение
дискретных
входов
Записать в
одиночный
регистр
Записать
значение флага
…
14

15. Передача данных
Ожидание
Пропуск периода
Преамбула
Данные
Выравнивание
Контрольная сумма
Межфреймовый промежуток
15

16. Прикладное программное обеспечение
Сторонняя библиотека PyModbus
• Использование готовых решений
• Верификация созданных средств
Клиент демонстрационного стенда
Python
Разработанные программноаппаратные средства под
микросхему
программируемой логики
PyModbus
Опрос
платформы
Qt4
• Наглядная демонстрация работы созданных средств
• Проверка работоспособности аппаратной платформы
PyQt4
GUI
16

17. Организационно-экономический раздел
Календарные дни, недели, месяцы
Февраль
Январь
Наименование работ
20
31
1
10
Март
20
28
1
10
Апрель
20
31
1
10
Май
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

18. Результаты работы
Проведён обзор
• Методов коммуникаций, интерфейсов связи
• Компонентов аппаратной платформы
Разработаны
• Программно-аппаратные средства связи с сетями Ethernet
• Средства удалённого управления оборудованием
• Реализация промышленного протокола управления
Применения
•
•
•
•
Сопряжение цифрового оборудования с сетями Ethernet
Системы удалённого управления индикацией и оповещением
Преобразователи интерфейсов (шлюзы)
Системы «умный дом»
18

19. Демонстрация разработанных средств
Начать демонстрацию
19