过程气体分析仪表IPv6网络化的分析-电路与系统专业论文.docxVIP

杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（必威体育官网网址论文在 解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电 杭州电子科技大学硕士论文 I I 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。 关键词：过程气体分析仪，网络化，IPv6，网络接口控制器，LwIP II II ABSTRACT Process gas analysis instruments is mainly used for online real-time analysis of gas concentration or composition in the industrial process. The traditional process gas analysis instruments typically use serial communication,which has some limitations on the data transmission distance. With the development of computer and network technology, the relationship between instruments and network become