摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)作為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的新方向，也逐步滲入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，所以標(biāo)準(zhǔn)多元化 的現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)共存的局面將長期存在。本文對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)通信機制進(jìn)行了深入研討， 并對各個機制存在的一些問題，比如開發(fā)成本高、擴(kuò)展性和移植性差的現(xiàn)象進(jìn)行了分析。在對協(xié)議轉(zhuǎn) 換網(wǎng)關(guān)的工作機制進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于嵌入式中間件協(xié)議庫的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。利用分 層思想和軟件復(fù)用技術(shù)，設(shè)計協(xié)議庫的可擴(kuò)展性和易移植性；對協(xié)議庫進(jìn)行層次化、組件化，定義了 嵌入式中間件協(xié)議庫組件化的原則和粒度控制；并利用共享內(nèi)存技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。最后，設(shè) 計并開發(fā)了基于易移植、可擴(kuò)展嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)多協(xié)議間的互聯(lián)通信。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 協(xié)議轉(zhuǎn)換 協(xié)議庫 

Abstract: Industrial Ethernet, as a new direction of network development of control systems,has gradually penetrated in o industrial control networks, so the standard The coexistenceof quasi-diversified fieldbus and industrial Ethernet will exist for a long time. In this paper,the interconnection communication mechanism between heterogeneous networks is deeplystudied, and some problems existing in each mechanism, such as high development cost,scalability and poor portability, are analyzed. Based on the detailed analysis of the workingmechanism of the protocol conversion gateway, a protocol conversion gateway basedon the embedded middleware protocol library is proposed. The layered idea and softwarereuse technology are used to design the scalability and portability of the protocol library. Theprotocol library is hierarchical and componentized, and the principle and granularity controlof the component library of the embedded middleware protocol library are defined. Sharedmemory technology enables the exchange of data information. Finally, the design andimplementation of a portable, scalable embedded protocol conversion gateway based onmulti-protocol interconnection communication. Key words: Fieldbus Protocol conversion Protocol library。

1前言：

針對自動化控制領(lǐng)域，現(xiàn)場總線在底層控制網(wǎng)絡(luò)中得 到了大量的應(yīng)用，但隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式的發(fā)展和技術(shù) 變革，智能化需求日益增長，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和開放性 成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。目前，現(xiàn)場總線技術(shù)自身還具有一 定的局限性，特別是現(xiàn)存的幾種國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線在通 信協(xié)議和總線標(biāo)準(zhǔn)方面互不相容、競爭并存，不能實現(xiàn)互 操作，這嚴(yán)重限制了現(xiàn)場總線在控制領(lǐng)域的發(fā)展。在控制 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級改造的過程中，由于不同的現(xiàn)場嵌入式設(shè)備 廠商采用不同的通信方式，相互之間又沒有一種通用的軟 件協(xié)議，使得在工業(yè)智能網(wǎng)絡(luò)中用于連接嵌入式設(shè)備的通 信硬件媒介千差萬別，現(xiàn)場總線和通信協(xié)議也各不相同， 形成一個互不兼容的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，缺乏開放性和兼容性。

2網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)技術(shù)介紹

PLC具有通用計算機的某些特點，但是它的工作方式 與通用計算機有很大的區(qū)別，它采用循環(huán)掃描的工作方 式。其原理可以解釋為對任務(wù)程序的處理是按照一定的訪 問順序和執(zhí)行順序工作的，每完成一個掃描周期，再從 頭循環(huán)執(zhí)行用戶程序，周而復(fù)始的運行。其工作過程如圖所示，主要包括三個階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階 段、輸出掃描階段。

圖1所示，主要包括三個階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階 段、輸出掃描階段。

圖1 PLC工作原理圖

隨著通信協(xié)議成為一個嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成 部分，滿足高帶寬和可預(yù)測性要求的新協(xié)議需求增加。有 多種實時通信協(xié)議，在這些協(xié)議中能滿足車輛復(fù)用的協(xié) 議有：控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）和 SAE J1850目前在大規(guī)模使用。此外只有少數(shù)協(xié)議適合具有 可預(yù)測性強制要求的安全應(yīng)用，文獻(xiàn)進(jìn)行滿足安全性的嵌 入式系統(tǒng)通信協(xié)議的一項調(diào)查和比較顯示，數(shù)據(jù)通信活動 必須能被觸發(fā)，不論是基于事件的動態(tài)響應(yīng)，還是基于時 間輪詢的靜態(tài)觸發(fā)[3]。一方面，有基于時間處理的靜態(tài)調(diào) 度信息協(xié)議，例如，用于航空電子設(shè)備行業(yè)的SAFE BUS 和SPIDER協(xié)議，用于汽車行業(yè)的TTCAN和時間觸發(fā)協(xié)議 TTP。另一方面，一些是通過動態(tài)調(diào)度信息的通信協(xié)議， 比如，控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）被大量的使用在各個領(lǐng)域， LONWORKS協(xié)議和PROFIBUS協(xié)議普遍用在實時系統(tǒng)中。 在這當(dāng)中，CAN總線在分布式嵌入式實時系統(tǒng)領(lǐng)域是最知 名和廣泛使用的事件驅(qū)動通信協(xié)議。

3擁塞控制算法在嵌入式網(wǎng)關(guān)中的研討

3.1 主動隊列管理策略控制模型 為了解決數(shù)據(jù)通信活動必須能被確定性觸發(fā)的問題， 采取主動而非響應(yīng)性的分組丟棄就是一種有效手段。相應(yīng) 的隊列管理策略被稱為主動隊列管理是緩沖隊列管理的主 流算法。其基本思路是，根據(jù)隊列長度的變化情況，在隊 列緩存溢出之前，對到達(dá)的分組數(shù)據(jù)以概率丟棄標(biāo)記，分 組的丟棄標(biāo)記信號經(jīng)過延時之后被源端檢測到，源端由此 判斷網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，根據(jù)不同狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的控制算法來調(diào) 節(jié)發(fā)送速率，從而使路由器緩存中的隊列長度得到控制。 這樣，策略就形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中是控制器，其 輸出為系統(tǒng)的控制信號，而源端的速率控制算法則是系統(tǒng) 的執(zhí)行器，它和路由器的隊列長度特性以及鏈路延時一 起，組成了系統(tǒng)的廣義對象，如圖2所示

圖2 主動隊列管理策略控制模型

鏈路算法的研究目前集中在“主動隊列管理”（ActiveQueue Management，AQM)算法方面，同傳統(tǒng)的“隊尾丟 棄”（Droptail)相比，AQM在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的緩沖溢出之前就丟 棄或標(biāo)記報文。 

3.2 AQM的主要優(yōu)點 

（1）減少網(wǎng)關(guān)的報文丟失。使用AQM可以保持較小的 隊列長度，從而增強網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點容納突發(fā)流量的能力[6]。 

（2）減小報文通過網(wǎng)關(guān)的延遲。減小平均隊列長度可 以有效地減小報文在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的排隊延遲。 

（3）避免Lock-out行為的發(fā)生。 

3.3 RED算法

AQM的一個代表算法是RED（random early detection） 算法。RED比Droptail具有更好的性能，在RFC2309中， 強烈推薦使用RED作為今后的標(biāo)準(zhǔn)。但是進(jìn)一步研究發(fā) 現(xiàn)，RED的性能對算法的參數(shù)設(shè)置十分敏感，至今沒有在 interrnet中得到廣泛的使用。根據(jù)文獻(xiàn)提供的結(jié)果顯示， RED的性能優(yōu)于Droptail，但是它存在兩個主要缺陷： 

（1）RED對參數(shù)設(shè)置很敏感，改變參數(shù)對性能影響很 大，到目前為止，如何確定這些參數(shù)還沒有明確的方法；

（2）隨著網(wǎng)絡(luò)中“流”數(shù)目的增加，網(wǎng)關(guān)的平均隊列長 度會逐漸增加，這對提高實時性也是不利的。

4協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)計

 4.1 網(wǎng)關(guān)組成結(jié)構(gòu) 協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)主要包括核心處理器、以太網(wǎng)控制器、 RS485/232收發(fā)器等現(xiàn)場總線控制器、外圍I/O設(shè)備、片外 存儲器等，網(wǎng)關(guān)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)組成圖

（1）請求和控制信息數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)鏈路到達(dá)網(wǎng)關(guān)， 網(wǎng)關(guān)中以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層的數(shù)據(jù)流通； （2）處理器的EMAC模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆巾貞處理，獲得 鏈路層的有效數(shù)據(jù)；

（2）處理器的EMAC模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆巾貞處理，獲得 鏈路層的有效數(shù)據(jù)；

（3）這些數(shù)據(jù)通過高速總線（AHB）交予網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換程序 處理，獲得原始的請求和控制信息； 

（4）再根據(jù)目標(biāo)總線協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，選擇芯 片內(nèi)相應(yīng)的總線通道發(fā)送數(shù)據(jù)； 

（5）數(shù)據(jù)幀通過與這些總線通道聯(lián)通的片外總線收發(fā) 模塊到達(dá)相應(yīng)的物理總線鏈路。 反向轉(zhuǎn)換為上述數(shù)據(jù)過程的反向流通，實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 軟件層次結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計上，引入嵌入式通信中間件軟件 設(shè)計思想。對各設(shè)備進(jìn)行抽象，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議庫的實現(xiàn)采用分 層結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用信息機制實現(xiàn)各層間的訪問，屏蔽高層 對底層的訪問細(xì)節(jié)，實現(xiàn)程序接口的透明調(diào)用，方便程序 跨平臺的移植和調(diào)試[8]。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

總結(jié)：

分析控制網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)硬件架構(gòu)與異構(gòu)通信協(xié)議，著 重研討了各種總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和通信特征。對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 間互聯(lián)通信機制的研究與分析，提出并完成基于嵌入式中 間件協(xié)議庫協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，定義了嵌入式中間件協(xié)議庫組件化的原則和粒度控制，使用共享內(nèi)存技術(shù)實現(xiàn)數(shù) 據(jù)交換。完成協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的軟件和硬件設(shè)計與實現(xiàn)，包 括協(xié)議庫的設(shè)計與實現(xiàn)、統(tǒng)一訪問接口設(shè)計與轉(zhuǎn)換流程的 實現(xiàn)。為保證協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)在異構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)鏈路的服務(wù)質(zhì) 量，針對通信協(xié)議轉(zhuǎn)換過程存在復(fù)雜的不確定性因素，分 析信息網(wǎng)絡(luò)擁塞控制技術(shù)以及源端擁塞控制算法和鏈路控 制算法的優(yōu)缺點，提出一種基于模糊控制的擁塞控制策略。

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