（控制理论与控制工程专业论文）基于iec标准的分布式控制的若干问题的研究.pdf

基于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 摘要 i e c6 1 1 3 1 3 标准是国际电工委员会( ie c ) 公布的关于可编程控 制器的编程语言的标准。i e c6 1 4 9 9 标准是在le c6 11 3 卜3 标准的基 础之上建立起来的，它克服了le c6 1 1 3 卜3 标准在分布式控制系统 中的局限性。m o d b u s 协议是一种现场总线通信协议，得到了众多厂 家的支持并广泛应用于工业控制领域。 本文介绍了在分布式控制中m o d b u s 通信协议的具体实现过程， 并在a r m 控制器与p c 机之间采用该协议进行通信，解决了通信中的 标准化问题并提高了通信t j j - - i 靠性和稳定性。详细介绍了编程系统 与运行系统之间的数据通信，并使用基于i e c6 1 1 3 卜3 标准的软件 对具体的实验要求进行编程。最终把控制程序下载到a r m 开发板中 组成了a r m 分布式控制器，并使用该控制器实现了对三容液位控制 实验装置液位的控制，达到了比较理想的控制效果。 对i e c6 1 4 9 9 标准进行了介绍，比较了i e c6 1 4 9 9 标准与i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准在在分布式控制中的优缺点，并在基于i e c6 1 4 9 9 标准 的软件上建立了算法。 关键词：i e c6 1 1 3 1 - 3 标准m o d b u sa r m i e c6 1 4 9 9 标准 s o m er e s e a r c ho np r o b l e m si nd i s t r u b u t e d c o n t r o lb a s e d o ns 。r a n d a r dl e c a b s t r a c t s t a n d a r di e c6 11 3 1 3i sas t a n d a r da b o u tp r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o rp l c ， d e v e l o p e db yi n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ( i e c ) s t a n d a r di e c6 1 4 9 9 i sb a s e do ns t a n d a r di e c6 11 3 1 - 3 i to v e r c o m e st h el i m i t a t i o no f u s i n gs t a n d a r di e c 6 1 1 3 1 3i nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s m o d b u sp r o t o c o li sak i n do f o p e nf i e l db u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e v e l o p e db ym o d i c o n i ti sn o ws u p p o r t e db ym a n y i n s m m a e n tp r o d u c e r sa n da p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l de x t e n s i v e l y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sh o wt ou s em o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li n d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，a n du s e si tt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nac o m p u t e ra n da r m c o n t r o l l e r t h ep r o b l e mo f s t a n d a r d i z a t i o ni ss e t t l e da n dt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yi n c 6 m m u n i c a t i o ni si m p r o v e d w eu s es o f t w a r eb a s e do ni e c6 11 3 1 - 3t op r o g r a m c o n t r o l l i n gp r o g r a m sr e q u i r e db ye x p e r i m e n t ，a n ds h o wt h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e n t h ep r o g r a m m i n gs y s t e ma n dt h et a r g e ts y s t e mi nd e t a i l a tl a s t ，t h ec o n t r o l p r o g r a m sa r ed o w n l o a d e di n t oa r ta r m d e m ob o a r dt of o r m 孤a r md i s t r i b u t e d c o n t r o l l e r t i l i sc o n t r o l l e ri su s e dt oc o n t r o lat h r e e - t a n kl i q u i dl e v e l a n dg e t sa g o o dr e s u l t i n t r o d u c e st h es t a n d a r di e c6 1 4 9 9 ，c o m p a r e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f s t a n d a r di e c6 1 1 3 1 3a n ds t a n d a r di e c6 1 4 9 9u s i n gi nd i s t r i b u t e dc o n t r o l ，a n ds e t s u p a na l g o r i t h mo nt h es o f t w a r eb a s e do ni t k e yw a r d s ：s t a n d a r di e c6 1 1 3 1 - 3 ；m a d b u s ；a r m ；s t a n d a r di e c6 1 4 9 9 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 学位论文使用授权说明 年月日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名 导师签名茹匙步哟哆年6 月矽日 j - - 西大掌司i j 叶电i 文| i 于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 致谢 衷心感谢林小峰教授对本人的精心指导和培养。他的言传身教让我终生受 益。 感谢宋春宁、宋绍剑副教授在课题研究过程中给予的指导和帮助。 感谢实验室的老师和同窗在我三年学习和生活中给予的关心和支持，尤其 感谢黄清宝老师、马文字同学和翟二宁同学的热情帮助。 深深感谢远在家乡的父母。感谢他们对我经济上的支持、学习上的鼓励以 及生活中无微不至的关怀。 本课题承蒙国家科技部科技型中小企业技术创新基金的资助，特此殷切致 谢。 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 皇= = = = = = = = = = = = = 声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他 人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 签名：趟日期： l 神? 6 、国 广西大国呗j 啦j r 墓于 e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 第一章绪论 1 1 引言 随着当今科技高度的发展和工业生产集中过程的加速，工业生产专业化得到 了很大的发展，工业部门数目也不断增加，使得一个工程往往由多个不同的单 位分别完成。标准化关系到整个工业系统的可靠性和稳定性的程度。日益国际 化的工业生产更加突显了制定国际标准和行业标准的重要性和紧迫性，标准化 工作将发挥越来越重要的作用。由此可见在工业控制中的标准化问题是具有十 分重大的意义的。分布式控制系统最大的特点是通过分布式的现场数据采集单 元对现场仪表工艺数据进行采集，由通信网络传输至控制中心，在控制中心实 现对现场设备统一的监视和控制。 1 2i e c6 1 1 3 1 - 3 标准和l e c6 1 4 9 9 标准 i e c 英文全称是i n t e r n a t i o n a le l e e t r o t e e h n i c a lc o m m i s s i o n ，中文名称是国际 电工技术委员会。i e c 成立于1 9 0 6 年，是世界上最早的国际性电工标准化机构， 总部设在日内瓦，负责有关电工、电子领域的国际标准化工作。i e c6 1 1 3 1 标准 是i e c 制定的有关可编程控制器( p l c ) 的相关标准，i e c6 11 3 1 3 标准是其中的 编程语言部分。该标准针对的工业控制系统所阐述的软件设计的概念和软件模 型，适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向，广泛地应用于工业控制 计算机、数控系统、远程终端单元等产品。i e c6 1 4 9 9 标准是i e c6 11 3 1 标准的 进一步发展。它是一个功能块的通用模型的标准，工程师可以比较容易地使用 标准模型建立自己的系统，而无须了解模块中的具体算法和结构。这将是未来 工业标准发展的一个重要趋势。 1 2 1i e c6 11 3 1 3 标准聊1 0 1 1 1 1 1 2 4 1 1 4 0 1 i e c6 1 1 3 1 3 标准的制定，集中了美国、加拿大、欧洲( 主要是德、法) 以及 日本等7 家国际性工业控制企业的专家和学者的智慧，以及数十年在工控方面的 经验。在制定这一编程语言标准的过程中，p l c 正处在其发展和推广应用的鼎盛 时期。该标准针对工业控制系统所阐述的软件设计概念、模型等适应了当今世 广西大掣坷e 士论文基于i e ( ：标准的分布式控制的若干问题的研究 界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术。它不但极大 地推动了工业控制系统的软件设计的进步，而且它的许多概念还对现场总线设 备的软件设计产生了很大影响。 i e c6 1 1 3 1 3 标准规定了5 种编程语言，其中3 种是图形化语言，两种是文 本化语言。图形化语言有梯形图l d ( l a d d e r d i a g r a m ) 、顺序功能图s f c ( s e q u e n t i a l f u n c t i o nc h a r t ) 、功能块图f b d ( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) ；文本化语言有指令表 i l ( i n s t r u c t i o nl i s t ) 和结构化文本s t ( s t r u c t u r e dt e x t ) 。5 种语言各有特长。 i e c6 1 1 3 1 3 标准允许在同一个p l c 中使用多种编程语言，允许程序开发人 员对每一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中使 用不同的软件模块和不同的编程语言进行编写。这一规定继承了p l c 发展过程 中形成的编程语言多样化的特点，为p l c 软件技术的进一步发展提供了足够的 空间。 自i e c6 1 1 3 1 3 标准正式公布后，它获得了广泛的接受和支持。国际上各大 p l c 厂商都宣布其产品符合该标准的规范，在推出其编程软件新产品时，遵循 该标准的各种规定。以p c 为基础的控制作为一种新兴控制技术正在迅速发展， 大多数p c 控制的软件开发商都按照i e c6 1 1 3 1 3 标准的编程语言标准规范其软 件产品的特性。 i e c6 1 1 3 1 3 标准是一个强有力的、灵活的、可移植的、开放性的工业编程标 准。目前，欧美等西方国家都致力于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的推广与应用，市场上基 于这个标准的产品较多，如加拿大i c st r i p l e xl s a g r a f 公司的i s a g r a f 、德国k w 的m u l t i p r o g 、德 i n f o t e a m 的o p e r l p c s 、德国3 s 公司的c o d e s y s 。近年来， 国内也有许多公司致力于基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的编程系统的开发，包括：亚控 科技、浙大中自、大连理工大学计控研究所，以及北京凯迪恩自动控制技术公 司等。应该说目前国内自行开发并拥有自主知识产权的编程系统已经达到了较 高的技术水平。 1 2 2i e c6 1 4 9 9 标准【1 9 i 近年来，集成化、可靠的、分布式智能控制系统一直是国际标准组织、工业 企业联盟以及研究机构等的研究热点。 随着组件技术在商业领域的成功运用和基于p c 的软逻辑控制技术在工业领 域的迅速发展，一种将控制系统模块化处理的i e c6 1 4 9 9 标准提供了设计开放分 2 蓉于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 布式控制系统的新思路。i e c6 1 4 9 9 标准定义了一整套独立于具体实现方式的工 业过程测控系统( i p m c s ) 的基本概念和思想，。采用鲁捧的、可重用、即插即用的 软件组件功能块( f u n c t i o nb l o c k ) 作为分布式应用的主要模块。作为一种抽象 机制，功能块将控制算法进行封装，使得那些并不擅长复杂算法实现的工程师 们也可以非常容易理解。系统设计者可根据控制功能需要选择特定功能块，并 按照i e c6 1 4 9 9 标准将其输入输出通过网络互连，形成完整的工业应用，从而构 建面向对象的、全开放、全分布的新型工业控制系统。 i e c6 1 4 9 9 标准是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构标 准，其系统模型包括与被控过程的接口和与通信网络的接口，以及隐含的分布 式应用程序。i e c6 1 4 9 9 标准还给出了应用程序的模型，由若干个可能分散在多 个设备中的功能块互联而成。与集中系统不同的是，分散系统的程序执行不再 按扫描方式，或是以多任务多进程的方式进行，它要求在数据传输与控制算法 之间确定明确的机制。为了满足这个要求，i e c6 1 4 9 9 标准增加了一个显性事件 接口，以及执行i e c6 1 1 3 1 3 标准功能块的控制算法的控制功能。完成执行控制 功能的一个重要手段便是使用i e c6 1 4 9 9 标准中定义的执行控制图的表示方法。 i e c6 1 4 9 9 标准没有另外定义编程语言，在其功能块中的控制算法还是用i e c 6 1 1 3 1 3 标准定义的语言进行编程，所以i e c6 1 1 3 1 - 3 标准依然发挥着重要作用。 唯一的变化就是在系统配置时采取了封装的、可反复使用的和分散的机制。可 以预见，i e c6 1 4 9 9 标准的软件工具将促使i e c6 1 1 3 1 3 标准的应用“无痛”地融 入到分布式智能系统之中。 1 3 课题来源 本课题来源于国家科技部中小企业创新基金( 0 4 c 2 6 2 1 4 5 0 1 3 5 2 ) ，广西自然科 学基金( 桂科基0 5 7 5 0 1 6 ) ，广西科技攻关项目( 桂科x r 0 5 9 2 0 0 1 6 ) ，广西大学科学 技术研究重点基金( 2 0 0 4 z d 0 4 ) ，南宁市科学研究与技术开发计划( 2 0 0 5 0 2 1 6 a ) 。 1 4 课题研究意义 i e c6 1 1 3 1 标准针对的工业控制系统所阐述的软件设计的概念和软件模型适 应了当今世乔软件、工业控制系统的发展方向。i e c6 1 1 3 1 3 标准规定的编程语 言已成为工业控制中拥有广泛应用基础的国际标准。而i e c6 1 4 9 9 标准在i e c 3 t - 9 ；i e c 标准的分布式控制的若干问题的司f 究 6 1 1 3 1 标准的基础之上，克服了i e c6 1 1 3 1 3 标准依赖传统p l c 体系结构所形成的 缺点，对i e c6 1 1 3 1 3 标准进行了适当的扩展，不过仍然使用i e c6 1 1 3 1 3 标准的 语言来进行编程。i e c6 1 4 9 9 标准重新定义了分布式控制系统的模型，提出了一 整套使用功能块进行分布式控制系统程序设计的概念和方法。m o d b u s 通信协议 是m o d i c o n 公司为其开发出的p l c 提供的通信协议接口标准，由于其可靠性和简 便性，现已被其他厂商所广泛接受，无形中成为了控制界主流的通信协议。 以上三个工业标准都已经成为了当今工业界公认的标准。结合具体的实验要 求，在原有的技术水平和设备下，编写出满足m o d b u s 通信协议的通信程序实现 p c 机与设备之间的通信，提高了通信的可靠性和稳定性；并利用基于i e c6 11 3 1 3 标准的软件编写控制程序，实现对具体实验装置的控制，提高了分布式控制器 的兼容性，并缩短了开发和维护的时间。对i e c6 1 4 9 9 标准进行了研究，并利用 基于该标准的软件建立了算法。 4 基于i e e 囊 准的分布式控制的若千问题的研究 第二章分布式控制器的设计 2 1 分布式控制器的组成 2 1 1 嵌入式系统的介绍 嵌入式系统投入市场3 0 多年来取得了迅猛的发展，在系统平台、操作系统 和开发工具方面都取得了重大发展。从工业机器、汽车、医疗设备、照相机、 家用电器、飞机、自动售货机以至移动电话等上面都能找到嵌入式系统。 1 嵌入式系统平台( e m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m ) 1 6 1 【2 2 1 计算机主要使用x 8 6 或p o w e r p c 的中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t , c p u ) 核心架构，而嵌入式系统则有较多不同的c p u 核心架构。常见的嵌入式系 统c p u 核心架构有m i p s 、a r m 、s u p e r 、x 8 6 和p o w e r p c 等等。有时，为 减少成本或要符合嵌入式系统的某些特别要求，一些嵌入式系统甚至会利用有 特殊用途的集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t z c ) 来代替一般的c p u 。 m i p s 架构 m i p s 架构是由m i p sc o m p u t e rs y s t e m s ，i n c 公司开发。m i p s 处理器采用了 精简指令集。这种结构在s g i 的电脑产品以及众多的嵌入式系统产品中得到广 泛的使用。现在m i p s 处理器已经由最初的3 2 - b i t 发展到有了6 4 - b i t ，其m i p s 处理器的指令集也有多个扩展部分。 a r m 架构 a r m 架构最初是由a c o r n c o m p u t e r l i m i t e d 公司开发，其后该公司跟苹果电 脑合作，成立了a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 公司。a r m 是一个3 2 b i t 的处理器， 同样采用了精简指令集( r l s c ) ，在众多的嵌入式系统产品中得到了广泛的使用。 s u p e r h 架构 s u p e r h 架构最先由h i t a c h i 公司开发。s u p e r h 处理器也常用于嵌入式系统 产品中。最新的s h 5 版本处理器就是一个6 4 b i t 的高效处理器，它拥有一个 1 2 8 b i t 的向量浮点运算器( f p u ) 以及一个带有s i m d 支持的6 3 个6 4 一b i t 暂存器 的整数运算器，效能非常好。 x 8 6 架构 x 8 6 架构又常称为8 0 x 8 6 架构，泛指由全球知名的主流硬体生产厂商英特尔 5 ，百夫掣瞩页t 螗文 | i 于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 ( i n t e l ) 公司所生产的微电脑处理器。x 8 6 架构之指令集是复杂指令集的一种，x 8 6 架构于台式电脑、便携式电脑以及服务器市场上中占有重要地位。 p o w e r p c 架构 p o w e r p c 架构最初是由a p p l ec o m p u t e r 、i b m 和m o t o r o l a 三间公司所共同 开发的，因此也被称为a i m 。p o w e r p c 采用精简指令集( p a s c ) ，起初只针对个 人电脑市场设计开发的，而后p o w e r p c 处理器也被广泛地使用到了嵌入式系统 中。 * 2 嵌入式系统的操作系统饵m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mf o re m b e d d e ds y s t e m ) 1 5 l 嵌入式操作系统就是嵌入式系统的操作系统。多数嵌入式操作系统都会被设 计得非常紧凑和高效，同时会省略一般电脑操作系统上所提供的许多嵌入系统 不需要的功能。多数嵌入操作系统都是属于实时操作系统( r t o s ) ，会对系统事 件做出实时和确定性的反应。 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 2 1 】 嵌入式l i n u x 以g n u l i n u x 操作系统为发展基础，它是开放源码，现广泛应 用于许多的嵌入式系统上。一个典型的嵌入式l i n u x 安装约为2m b 。当今常见 的嵌入式l i n u x 操作系统包括有e m b e d d e dd e b i a n 、u c l i n u x 和m o n t a v i s t al i n u x 。 v x w o r k s v x w o r k s 是美国风河( w i n d r i v e r ) 公司推出的实时操作系统，在美国市场的占 有率为首位。其最新版本称为v x w o r k s6 0 ，可以支持p o w c r p c 、i 9 6 0 、x 8 6 、6 8 k 、 s p a r c 、m i p s 、a r m 等c p u ，也支持r i s c 、d s p 等技术。 q n x 嵌入式操作系统 q n x 嵌入式操作系统是一个商用软件，它是一个p o s i x - c o m p l i a n t 的实时 操作系统，q n x 与u n i x 系统十分相似，主要是面向嵌入式产品系统市场设计 的。 w i n d o w sc e 和w i n d o w sx pe m b e d d e d 嵌入式操作系统 微软视窗操作系统嵌入式家族包括了w i n d o w sc e 和w i n d o w sx pe m b e d d e d 两种。w i n d o w sc e 是一个实时操作系统，适合小设备如p d a 和移动电话使用。 w i n d o w sx pe m b e d d e d 则提供有较多媒体功能，适合零售点销售终端机 ( p o i n t - o f - s a l e s t e r m i n a l s ) 和资讯亭( i n f o r m a t i o n k i o s k s ) 使用。 i c o s i i t t c o s i i 是一个源码开放、可固化的嵌入式实时多任务操作系统。该系统基 6 广西大掌硕士套文基于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 本上采用c 语言编写，并有详细说明。对于用户学习和使用十分方便。该系统是 由美国的j o a n j l a b r o s s c 编写的。其内核可以十分方便地移植到嵌入式c p u 中。 r t c o s i i 的不足在于配套软件较少，设备驱动程序需要用户自行编制，其优点是 由于源码公开，故用户可以在网上与其他用户交流，从而获得广泛的技术支持。 f r e e r t o s 嵌入式操作系统 f r e e r t o s 嵌入式操作系统是一个便携式( p o r t a b l e ) 实时核心，也开放源码。 3 嵌入式系统开发工具( d e v e l o p m e n tt o o l sf o re m b e d d e ds y s t e m s ) 嵌入式系统的开发工具平台主要有如下4 种类型：1 ) 实时在线仿真器 i c e ( i n - c i r c u i te m u l a t o r ) ；2 ) 高级语言编译器工具( c o m p i l e rt o o l s ) ；3 ) 源程序模拟 器( s i m u l a t o r ) ；4 ) 实时多任务操作系统r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 。 实时多任务操作系统r t o s 是一种最重要的开发平台。r t o s 将系统软件和应 用软件的开发分开，从而抛弃了传统方法必须在c p u 上直接编程的缺点，省却了 每次都需进行系统开发的重复工作。 2 1 2 分布式控制器的组成 1 开发板的介绍【4 7 l 实验中使用的开发板是由上海方技电子科技有限公司生产的一款a t m e l9 1 系列开发板。该开发板的电源采用5 v 直流供电，提供了1 0 m b p s 以太网络接， u s bd e v i c e ，液晶接口，两个串口，p s 2 键盘接口，蜂鸣器，s d 卡接口，r t c 实 时时钟，a d ，e e r o m ，1 2 c ，四个按键，四个l e d 灯，总线扩展接口等。 2 微处理单元a t 9 1 m 5 5 8 0 0 a 的介绍 2 3 1 1 3 3 1 1 3 5 1 3 6 l a r m 目1 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产 权设计供应商。目前，a r m 公司是知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，通过 转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供应商，删公司在世界范围内拥有1 0 0 多个合作伙伴，其 中包括许多半导体工业的著名公司。采用a r m 公司技术知识产权( i p ) 核的微处理 器有6 个系列产品：a r v 1 7 、a r i v l 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 和a r m l1 ， 其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分 为应用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，以及适用于开放平台的 a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等。由于a r i v l 7 具有小体积、 低功耗、低成本而高性能的特点，在信息家电、工业控制、无线通信等领域得 7 广宵，“缸司n 文墓于i e c 标准的分布式控制的若干问题的习f 宠 到了广泛的应用。 实验中选用的微处理单元a t 9 i m 5 5 8 0 0 a 是美国a t m e l 公司基于 a r m 7 t d m i 核的a t l 6 3 2 位微处理器。其处理器核为高性能的3 2 位r i s c 体系结 构，并具有高密度的1 6 位指令集和极低的功耗。a t 9 1 m 5 5 8 0 0 a 具有的特点如下： 集成了删7 t d m ia r mt h u m b 处理器核； 8 k b 片内s r a m ； 完全可编程的外部总线接e i ( e b i ) 8 优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器( v i c ) ； 5 8 个可编程i ，o 线； 6 通道1 6 位定时器，计数器； 3 个u s a i h ； 主从式s p i 接口； 可编程的看门狗定时器； 8 通道1 0 位a d c ； 2 通道1 0 位d a c ； 采用片内主振荡器和p l l 倍频的时钟产生器； 采用片内3 2 k h z 振荡器的实时时钟； 8 通道外围数据控制器用于u s a r t 和s p i 先进电源管理控制器( a p m c ) i 针对所有数字引脚的i e e e11 4 9 1j t a g 边界扫描； 全静态工作：0 - 3 3 h z ； 2 7 3 6 v 内核工作电压范围； 2 7 5 5 vi o 工作电压范围； 2 7 3 6 v 模拟工作电压范围； 1 8 3 6 v 备用电池工作电压范围； 2 7 3 6 v 振荡器和p l l 工作电压范围； _ 4 0 8 0 温度范围； 1 7 6 1 e a dt q f p 或1 7 6 - b a l lb g a 封装。 a t 9 1 m 5 5 8 0 0 a 微处理器内嵌的i c e 接口为用户提供了一个完全的、低成本的 和容易使用的目标调试方案，片内集成的众多的片内外围功能模块和用户外围 接口部件，可以简化用户产品的外围设计，为各种超低功耗应用提供了一个高 8 广西大掌硕士论文 墓于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 度灵活和高性价比的解决方案。 3 分布式控制器的组成 首先利用底层编程系统a d s ( 由a r m 公司推出的a r m 核微处理器集成开发 工具，全称为a r md e v e l o p e rs u i t e ，并支持j t a g 硬件仿真调试) 编写底层运行 程序，再通过j t a g 把底层运行系统烧写到a r m 开发板的f l a s h 中。 然后利用所选用的基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软件编写用户程序，并通过其自 带的通信协议把符合i e c6 1 1 3 1 3 标准的应用程序下载到a i 洲控制器里面去。 最后通过m o d b u s 通信协议实现“力控”组态软件对a r m 分布式控制器运行 状态的监测和控制，具体组成如图2 1 所示。 图2 1a r m 分布式控制系统的实现原理图 f i g 2 1r e a l i z a t i o np r i n c i p l ec h a r to f a r md i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 2 2m o d b u s 通信的实现 随着工业技术的发展，现代的工业控制已从单机控制走向集中监控、分布式 控制，如今已进入了网络时代，工业控制器联网也为网络管理提供了方便。工 业控制器的网络协议包括很多种，各有各的特点，其中m o d b u s 就是其中的一种。 由于其简单易用，得到了广大工业自动化仪器仪表企业的支持与采纳，实际上 已成为了该业界的标准。 9 广西大掣 司【士论文羞于i e c 标准的分布式控制的若干问题的研究 2 _ 2 1m o d b u s 通信协议的介绍【2 6 l 【2 7 】 4 4 1 m o d b u s 协议是m o d i e o n 公司于1 9 7 9 年开发的一种开放式现场总线的通信协 议，它是电子控制器上的一种通用协议并已成为了一个通用工业标准。m o d b u s 协议采用主从结构( m a s t e r s l a v e ) 的通信方式，主站可向从站发送通信请求，每 个从站都有自己的地址编号，数量最多可达2 4 7 个。它通过多达2 4 种的总线命令 实现主站和从站之间的信息交换，并且支持用户自定义的功能代码。 m o d b u s 协议有a s c i i 和r t u ( 远程终端单元) 两种传输方式。以a s c i i 方式通信 时，消息中的每个8 b i t 字节都作为两个a s c i i 字符发送，其优点是允许字符的传 输间隔达到1 秒而不产生错误；以r t u 方式通信时，消息中每个8 b i t 字节包含两 个4 b i t 的十六进制字符，其优点是在同样的波特率下，可比a s c i i 方式传送更多 的数据。在实际应用中大约9 5 的m o d b u s 总线采用r t u 方式。目前，m o d b u s 协 议常用的传输速率为1 2 0 0 b i t s - 1 9 2 0 0 b i t s 。本实验中选用的是r t u 方式，波特率 设置为9 6 0 0 b i 以。 r t u 模式包括如下部分： 代码系统：8 位二进制，十六进制数0 9 ，a f 消息中的每个8 位都由两个十六进制字符组成 每个字节的位：1 个起始位 8 个数据位，最低有效位先发送 1 个奇数校验位，无校验则无 1 个停止位( 有校验时) 或2 个停止位( 无校验时) 错误校验域：c r c ( 循环冗余检测) 一个典型的消息帧如表2 1 所示： 表2 1r t u 消息帧 t a b l e2 1i n f o r m a t i o nf r a m eo f r t l r 起始位设备地址功能代码数据c r c 校验结束符 t 1 t 2 t 3 t 48b i t8b i t n 个8 b i t 1 6b i tt 1 t 2 一t 3 t 4 使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始 ( t 1 1 r 2 - t 3 一t 4 ) 。传输的第一个域是设备地址。当第一个域( 地址域) 接收到之后， 1 0 广西大掌硬j 曲文基于i e c 标- l t 的分布式控制的若干问题的研究 每个设备都进行解码以判断是否是发给自己的。在最后一个传输字符之后，一 个至少3 5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开 始。 消息帧的地址代码包含两个字符( 8 b i t s ) ，在同一个网络中可以有一个主设备 以及最多达2 5 5 个从设备，从设备的地址编码为1 - 2 5 5 。主设备通过将要联络的从 设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它 把自己的地址放入回应的地址域中，以便让主设备知道是哪一个设备做出的回 应。 消息帧中的功能代码包含了两个字符( 8 b i t s ) ，允许的代码范围是十进制的 1 - 2 5 5 。当消息从主设备发往从设备时，功能代码将告之从设备需要执行哪些行 为，如0 4 表示读输入寄存器数据。当从设备回应时，它使用功能代码来指示是 正常回应还是有某种错误发生。正常回应时从设备回应其相应的功能代码；异 常回应时从设备返回原代码的设备地址和最高位为逻辑l ( + 8 0 h ) 的功能代码，以 及一个相应的错误代码。 数据是请求和响应的主要内容，由十六进制数构成。根据网络传输模式，这 可以是由一对a s c i i 字符组成或由r t u 字符组成。主设备发给从设备消息的数据 包含了：要处理的数目、寄存器地址、需要操作的数据等。从设备必须执行由 功能代码所定义的请求。如果没有错误发生，从设备回送响应的数据段包括数 据长度、实际采集的数据等等；如果有错误发生，数据则包含一个错误代码， 主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。 m o d b u s 的r t u 方式采用c r c 校验方式，规定通信字符串的最后两个字节用 于c r c 校验数据。其方法是将整个字符串( 不包括最后两个字节) 的所有字节按规 定的方式进行位移并进行x o r ( 异或) 计算，接收方在收到该字符串时按同样的方 式进行计算，并将结果和收到的校验码进行比较，如果一致则认为通信正确， 如果不一致，则认为通信有误，从站将发送c r c 错误应答。1 4 5 l 根据m o d b u s 规定，只有主设备具有主动权，从设备只能被动地响应，包括 回答出错信息。m o d b u s 数据通信的一般格式如下： 主设备发送： 从设备地址l 功能代码j 数据起始地址l 数据 fc r c 校验 从设备发送： 广西，叫煳j 呻分文 i - 2 pi b c 标准的分布式控制的若干问题的研究 2 2 2 过程映像 在该分布式控制器的设计中所选用的编程系统是一种基于i e c6 1 1 3 1 3 标准 的软件，其i 0 变量访问是通过对过程映像的访问来实现的。因此在这里有必要 对过程映像进行一些简单的介绍。 所谓过程映像其实是运行系统自动定义的一个内存空间段。i o 接口通过对 过程映像的访问来实现i o 变量的访问。而上位机就是通过过程映像来与物理硬 件设备通信，读写i 0 变量的信息。过程映像内存单元和编程系统i 0 变量的物理 定义地址是一一对应的。过程映像的布局如图2 2 所示。 o l 8 9 3 2 3 3 4 0 4 l 段头 输入 输出 标志 图2 2 过程映像布局 f i g 2 2t h el a y o u to f p r o c e s si m a g e 过程映像有一个段表头，段表头后面跟着用于物理输入( i ) 的内存空间，接 着是物理输出( q ) 和用于标志( m ) 的内存空间。在输入和输出之间，输出和标 志之间，以及在标志之后，都有可能有一些不用的内存空隙。对过程映像的访 问是通过指针p p r o c l m g s e g _ p 来实现的，让其总指向物理输入的起始偏移地址， p p r o c l m g s e g _ _ p j j l _ 2 相对偏移量，就可以访问不同加l 变量和标志的存储单元。 广西夫掌司扛b 崔- 二乞 基于ie ( ：标准的分布式控制的若干问题的研究 2 2 3m o d b u s 通信协议的具体实现【2 8 l 【删【4 3 l m o b d u s 通信协议规定了d i 、d o 、a i 和a o 的起始位置分别是0 0 0 0 1 、1 0 0 0 1 、 3 0 0 0 1 和4 0 0 0 1 ，因此需要自定义一个内存空间来存放数据，并使该内存空间与 过程映像对应起来以便读取数据。把模拟输入的开始地址3 0 0 0 1 与过程映像中输 入段的头地址对应；把模拟输出的开始地址4 0 0 0 1 与过程映像中输出段的头地址 相对应：0 0 0 0 1 至l j l 0 0 0 1 的数字输入部分未使用到。这样建立起来的m o d b u s 通信 协议可以更容易地应用到其他的硬件中，对应的示意图如图2 3 所示。 1 0 0 0 1 自定义内存空间过程映像 图2 3 内存空间与过程映像的对应 f i g 2 3c o r r e s p o n d i n go f m e m o r ya n dp r o c e s $ i m a g e 为了便于说明问题，本节通过对功能