（农业机械化工程专业论文）基于dcs的微控制器io板卡的改进设计及其驱动开发.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着自动化技术的应用与发展，越来越多的自动化产品相继问世，例如p l c 、d c s 等等。但 其中真正国产化的产品却很少，本论文鉴于这种情况下产生，研制了国产化的基于d c s 的微控 制器。微控制器的研发是一项庞大的系统工程，主要包括硬件及其相配套的组态软件这两方面的 开发。在本论文中，硬件方面采用的组成方案是：徽控制器的主扳采用研祥的j t e c hc g - 4 5 嵌入 式丰板，主板上装有w i n c e 操作系统，而微控制器的i o 板卡则需进行开发；从经济性和实用 性方面考虑，软件采用力控的f o r c o c o r 血0 l 组态软件，利用这套软件给用户提供的一个开放的i o 接口，使得用户能够通过这个接口开发自己板卡的驱动程序，最终达到的碍的是能够使用 f o r c e c o n l r o l 这套软件对用户自己开发的硬件进行组态。 本论文主要研究和讨论了如下几个问题： 2 - 3 关键字： 对原来的f o 扳卡( 包括模拟量输入，输出扳卡，开关量赣”输出板卡) 进行了改进性 设计，主要围绕提高板卡的数据采集速度展开，采用的方法是增加系统总线的数据位 数，在原6 2 引脚的i s a 总线基础上再扩展3 6 引脚，使数据总线扩展到1 6 位，以便 进行相应的电路改进设计。之后对i o 实验板进行了必要的测试。 利用力控软件提供的开发工具包f i o ss d k ，根据硬件的要求，在面向对象的v i s u a l c + + 编程语言环境下进行了i o 板卡驱动程序的开发与调试。 软硬件联机调试。 f i o ss d k ，微控制器，i o 板卡，i s a 总线 中国农业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g i e s , a l lk i n d so f p r o d u c t i o n so n a u t o m a t i o nh a v eb e e nm a n u f a c t m e d , s u c ha sp l c ( p m g r a n m n b l el o g i cc o m r o l l e r ) 、d c s ( d i s t n b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) a n ds oo nb u tt h ep r o d u c t i o n sw h i c ha r cr e a l l ym a d ei nc h i n aa r es of e w , s oi ti sv e r y h - a p o r t a u tt os t u c l yt h ep r o d u c t i o n sb e l o n g i n g t oo l f f c o u n t , t h i sa r t i c l eo g o l 8m m b e i n gi nt h i s c o n d i t i o n i ti sav e r y b i gp r o j e c tt h a te x p l o i t i n gt h em i c r o - c o n t r o l l e r , i ti n c l u d e st h ee x p l o i t a t i o no f t h e h a r d w a g ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e m i nt h i sa r t i c l e , w ea d o p tt h es c h e r n eo f e x p l o i t a t i o na sf o l l o w s ：t h e m i c r o - c o n t r o l l e r sm a m b o a r di sa ne m b e d d e dr n a i n b o a r do fj t e c hc g - 4 5s e r i e sw h i c hi sp r o d u c e db y y a n x “gc o m p a n y , t h ee m b e d d e da p e m t 吨s y s t e m - w i n c e i si n s t a l l e do nt h em a i n h n a r d 皿l dt h a tt h e i oc a r d sm u s tb ee x p l o i t e db yo m s e l v e s ；i nv i e wo f t h e o n o m ya n dt h ep r a c u c a b i l i t y , w ec h o o s et h e s 0 鼬a 佗n a m e df o r c e c o n t r o lw h i c hi sac f 磅础叽s o t h v a r em a d eb ys a n d w e yl a n dc o m p a n y , l i f t s s o f t w a r ep r o v i d e sa r le x o t e r i ci oi n t e r f a c ef o ru s e r s ，t h u su s e l sc b nu s et h i si n t e r f a c et oe x p l o i t et h e i r o w nd r i v e r so f g o c a r d s , f i n a l l yt h e y c u s ef o l e e c o n t r o lt oe o n f i g t nt h ei oc a r d s t h i sa r i t i c l ep n m a r i l ys t u d i e sa n dt a l k sa b o u tt h e p r o b l e m a sf o l l o w s ： 1i nt h ea s p e c to f h a r d w a l , w ep r i m a r i l ya m e n dt h eo l di oc a r d s ( i n c l u d i n ga n a l o g yi oc a r d s a n dd i g i t a li 0c a r d s ) , t h ea m e n d m e n ts p r e a d sp r i m a r i l ys u r r o u n d i n gt h es y s t e mb u s - - i s ab u s w h i c h e x p a n d s 3 6 p i n so n t h eb a s i so f 6 2 p i n si nt h a t t h ed a 纽b u si s1 2 - b i t s p e a k i n gf r o m t h e t h e o r y , w ec a r li m p r o v et h es p 。e do fc o l l e c t i n gd a t a a f t e rt h a tit e s tt h et e s t m p u ta n do u t p u t b o a r d s 2 u s i n gt h ee x p l o i t e d t o o ln a m e df i o ss d ko f f e r e db yf o r c e c o n t r o la n da c c o r d i n ga st h er e q u e s t o f h a r d w a , i nt h ee n v i r o n m e n t o f v i s u s lc + + w e e x p l o i ta n dd e b u g t h ed r i v e r s 3o n l i n ed e b u g g i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k m r d s ：f i o ss d k ，m i c r o - c o n t r o | l e t ，g oc a r d s ,嚣ab u s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名 。琵c 寥垮 时间： 牛年；月夕目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 琵雪缛 i 移嘲 时间：7 , 7 - o 牛年；月，多1 3 时间：弘力牛年多月f 堂日 1 1 研究背景 1 ，1 1 工业自动化发展综述 第一章绪论 在科学技术发展过程中，自动控制起着重要的作用。本世纪科学技术领域发展最快的三大技 术是自动化技术、计算机技术和生物工程技术。尤其是近二十年来，自动化技术的发展更为迅猛。 纵观自动化技术在工业生产中的发展史，大概经历了这样三个发展阶段t 3 1 ： 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代末以前，随着生产劳动费用和生产成本的增长，工厂生产设备也 向大容量、高性能发展，这时的自动控制就残了不可缺少的手段了。这个时期自动化的特点是： 自动控制系统的结构形式绝大部分都是单输入、单输出的系统( 如压力、温度、流量、液位参数 系统) 。控制目的是保持生产的稳定和安全 3 】。总的来说当时的自动化水平还处于低级阶段，一些 工业企业生产过程实现了仪表化和局部自动化。 第二阶段；2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代末。由于工业生产过程不断迅速建向着大型化、连 续化方向发展，工业过程中的非线性、耦合性和时变性等特点己十分突出筒单控制系统已经不 能满足生产要求，迫切需要满足复杂工业过程自动控制的新理论。同时杆子技术、空间技术的发 展和电子计算机的应用都为自动化发展提供了有利的条件。这一阶段的特点是：控制系统在单回 路基础 _ = 发展了多回路系统，以提高质量与实现工业特殊要求的控制。控制系统由单变量系统转 向多变量系统，解决实际生产过程中遭到韵更为复杂的问题。同时，工业控制计算机也开始应用 于过程控制领域。但由于当时计算机体积庞大。价格昂贵，而且可靠性和功能方面还存在不少问 题使计算机控制停留在试验性阶段。这一期问，工厂和企业实现了大型装置或车间等几种综合 控制和生产过程自动化。 第三阶段：自2 0 世纪7 0 年代l ；f 后，微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功和微处理 器的出现，微型计算机的出现及应用都促进了控制系统的发展。同时工业生产提出了以优质、高 产、低耗为目标的控翻要求，也促进了现代控制向深度和广度发展。这一阶段出现了集散型控制 系统( d c s ) ，即集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示( 4 c ) 技术于一体的计算机控 制系统。它的出现及应用，为实现高水平的自动化提供了强有力的技术基础，给工业生产过程自 动化向高层次发展带来了深远的影响，使自动化进入了计算机时代。自动化技术工具方面也出现 了飞跃，出现电动、气动型的组合仪表、可编程控制器、徽控制器等。 】9 8 3 年工业控制计算机被列入国家计算机系列型普及发展规划。1 9 8 9 年机电部受国务院电 子振兴领导小组办公室委托，完成对全国工业控制计算机机型优选，共选出包括工业控制微机系 统、单( 多) 回路调节器、可编程控制器和工业控制功能模块四个种类2 1 个优选机型。1 9 9 0 年 国家计委、机电部、化工部、建材局联台组织完成了首次全国工业炉窑控制系统的优选。共选出 工业锅炉、水泥机立窑和小氮肥三种炉窑2 1 套获奖的控制系统。目前我国工业控制计算机( 包 括工业控制计算机系统、分数型工业控制计算机系统、工业控制功能模块系列、自动测试系统和 数控、程控五大系列) 技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工控机行业已经形成。 我国工业自动化系统的发展道路，大多是在引进成套设备的同时，也相继引进了各种工控机 系统，并开始自己设计控制系统和装置，然后进行消化吸收，进行二次开发和应用。也有些厂 家引进国外技术，与外商合作合资组装生产国外产品，并逐步实现国产化。 发展t 业自动化是提高国家整体国力的主要手段之一。运用工业自动化技术和计算机应用技 术，实现以提高经济效益为总体目标的传统产业的技术改造，已经成为提高国力的主要手段之一。 在这种情况下，国家与国家、企业集团与企业集团之间，开展了激烈的竞争。前几年讲这几句话 还没有人相信，现存已形成白炽化的竞争。日本和西德几十年前的经济起飞，就是从这里开始的。 后来美国高度重视技术密集型的高技术产业的同时，十分重视工业自动化技术，用工业自动化技 术来改造传统产业，产生了巨大的效益。在1 9 8 6 年前，应该说美国对这项工作是不重视的，以 至于十大传统行业中，有6 大行业中的优势地位完全丧失，后来急起宜追，到目前为止应该说已 完全恢复了在i o 大行业中的领先地位。所以我们说，这一项工作抓好了，对提高国家整体国力 是很重要的。 发展工业自动化是调整工业结构的主要手段之一。因为工业自动化是电予技术、自动化技术、 仪器仪表的综合集成技术。它综合运用半导体、微电子、计算机、仪器仪表、通信、光学、声学、 计量、激光等诸多的电子技术和信息技术。也就是说发展自动化技术，可以带动众多的技术向 前发展，带动整个工业的调整。 发展工业自动化是迅速搞活大中型企业的有效手段之一。大家知道，工业自动化投资少、见 效快，可大幅度节约能源。所以，我们国家电力、钢铁、炼油、石化、化工、造纸等工业部门， 分别都拥有百套以上的集散控制系统。如果能在集散控制系统的基础上，配上上位机，搞过程 优化，我们可以大丽度提高企业的技术水平和管理水平。如宝钢冷轧厂，用计算机控制系统改造， 2 0 人花了2 年半时间，投资了1 3 0 0 万元，项目完成投运后，整个冷轧厂产生的效益，使产值增 加6 个亿，纯经济效益2 3 8 0 万元。这样的计算机系统能广泛应用，对大中型企业可起报大作用。 另外，发展工业自动化还是扩大国内需求的有效手段之一。它可以拉动一大批产业，如电子 元器件、各类接插件产业、各类金属加工件产业、集成电路等等。 工业控制系统指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具 f 包括自动测量仪表、控制装置) 的总称。工业自动他系统以构成的软、硬件可分类为：自动化设 备、仪器仪表与测量设备、自动化软件、传动设备、计算机硬件、通信网络等。 ( 1 ) 自动化设备：包括可编程序控制器( p l c ) 、传感器、编码器、人机界面、开关、断路器、 按钮、接触器、继电器等工业电器及设备； ( 2 ) 仪器仪表与测量设备：包括压力仪器仪表、温度仪器仪表、流量仪器仪表、物位仪器仪 表、闽门等设备： ( 3 ) 自动化软件：包括计算机辅助设计与制造系统( c a d c a m ) 、工业控制软件、网络应用 软件、数据库软件、数据分析软件等； ( 4 ) 传动设备：包括调速器、伺服系统、运动控制、电源系统、马达等； ( 5 ) 计算机硬件：包括嵌入式计算机、工业计算机、工业控制计算机等； ( 6 ) 通信网络：羽络交换祝、视频监视设备、通信连接器、搠桥等。 工业自动化系统产品一般可分成下列几类： 2 中国农业大学硕士学位论文 绪论 ( 1 ) 可编程序控制器( p l c ) ；按功能及规模可分为大型p l c ( 输入输出点数 1 0 2 4 1 ，中型 p l c ( 输入输出点数2 5 6 1 0 2 4 ) 及小型p l c 。 ( 2 ) 分布式控制系统( d c s ) ：又称集散控制系统，按功能及规模亦可分为多级分层分布式 控制系统、中小型分布式控制系统、两级分布式控制系统。 ( 3 ) 工业p c 机：能适合1 二业恶劣环境的p c 机，配有各种过程输入输出接门板组成工控机。 近年又出现了p c i 总线工控机。 ( 4 ) 嵌入式计算机及o e m 产品，包括p i d 调节器及控制器 ( 5 ) 机电设备数控系统( c n c ，f m s ，c a m ) ( 6 ) 现场总线控制系统( f c s ) 1 1 2 d c s 的发展历史及其应用 工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程 实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等 目的综台性高技术，包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。 工业自动化技术作为2 0 世纪现代制造领域中最重要的技术之，主要解决生产效率与一致 性问题。无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的 应用。自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程起着明显的提升作用： ( 1 ) 提高生产过程的安全性； ( 2 ) 提高生产效率； ( 3 ) 提高产品质量； ( 4 ) 减少生产过程的原材料、能源损耗。 据国际权威咨询机构统计，对自动化系统投入和企业效益方面提升产出比约1 ：4 至1 ：6 之 间。特别在资金密集型企业中，自动化系统占设备总投资1 0 以下，起到“四两拨千金”的作用。 传统的工业自动化系统即机电一体他系统主要是对设各和生产过程的控制，蠲由机械本体、 动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元、接口等硬件元素，在软 件程序和电子电路逻辑的有只的的信息流引导f ，相互协调、有机融合和集成，形成物质和能量 的有序规则运动，从而组成工业自动化系统或产品。 在工业自动化领域，传统的控制系统经历了继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式 模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散式控制系统0 c s 的发展历程。下面就着重讲一下 d c s 的特点及发展状况。 管理的集中性和控制的分散性这一实际需要推动了集散型计算机控制系统的发展。集散型计 算机控制系统的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支结构，这与工业生产 过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、控制管理级和生产 管理级，各级既相互独立又檀互联系，每一级又可按水平分解成若干子集。 集散型控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管 理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态 方便的多级计算机网络系统结构。 3 中国农业大学硕士学位论文绪论 采用分布式系统结构有以下一些优点： 1 数据可以“就地处理”，不必送至远离它的汁算机去处理，减少了通信的开销，缩短了处理时 间，还增加了数据的可靠性和安全性。 2 由多台计算机系统组成，系统易于采用冗余技术和符种容错技术，使它具有较强的坚定性。 3 可以较方便的用增加计算机的办法来扩大系统的能力，因此有较大灵活性。 4 可采用资源共享、并行处理或分别处理。 分布式系统当前的应用有：管理信息系统( m i s ) 、办公自动化、国防、气象、地质、地震勘探等 地理分散的应用领域的数据采集和信号处理。 分布式系统亦大量应用于工业控制领域，从而促进了集散控制系统的发展。 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集散型控制系统在模拟量控制方面有着强大的功能。这是 与其控制方式的发展过程密切相关的。早期的控制仪表大多为模拟量控制，由于设备和工作人员 往往在地理位置上距离比较远，并且当时计算机水平也发展的有限，给工作人员带来了许多不便。 由于后来的微处理器( m p u ) 及固态存储器的出现和相关软件的成熟才出现了今天的集散控制。 即一人在中央控制室完成整个车间乃至整个工厂生产过程、状况的监控，如图1 - 1 所示。 图卜l1 ) c s 控制系统圈 1 9 7 5 年h o n e y w e l 公司推出的t d c 2 0 0 0 集散控制系统是一个具有许多微处理嚣的分级控制 系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于c r t 的操作站 相连接，互相协调，一起实旃实时工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从 而危险性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代d c s 。 第二代产品在原来产品的基础上进一步提高了可靠性，新开发的多功能过程控制站、增强型 操作站、光纤通信等更完善了d c s 。其基本结构由六部分组成，即局域网络、多功能现场控制站、 增强型操作站、主计算机、网络连接器和系统管理站等。第二代产品的特点是采用模块化、标准 化设计，数据通信向标准化迁移，板级模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和町扩充性。控制功 4 中国农业大学硕士学位论文绪论 | - i | | 目| | | 目| ! 能更加完善它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。 第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统通信，向上 能与m a p 和e t h e m e t 接口威者通过网问连接器与其它网络联系，构成复合管理系统，向下支持现场 总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。 过程控制组态采用c a d 方法，使其更直观方便，实现自整定功能。 当今d c s 向综合化、开放化发展。9 0 年代工厂自动化要求各种设备( 计算机、d c s 、单回路 调节器、p l c 等1 之间的通信能力加强，以便构成大系统。开放性的结构将方便地与指挥生成管理 的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成生产系统。同时在大型d c s 进一步完善和提高的同 时，发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控翻理论，应用人工智能技术，以微处理 器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智能p i d 自整定控制、智能人机 接口，以至于智能d c s 。总的发展趋势可体现在如下几个方面：各制造厂商都在“开放性”上下功 夫力求使自己的d c s 与其他厂商的产品很容易地联网，大力发展和完善d c s 的通信功能，并将生 产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品，高度重视系统的可靠性，在软件 的设计中采用容错技术：在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性熊，如自 整定、自适应、最优、模糊控制等，在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的 需求。 我国d c s 的研制生产主要有两种模式，一种是中外合作方式，主要是作外商的代理或进行产品 的售后服务：另一种是依靠自己的力量，吸收圉外先迸技术独立自主地研制开发集散控制系统。 d c s 已是国际上公认的“工业自动化, g , t h 之路”，我国目前正处在经济高速发展时期，许多企 业倍受“产品质量不稳定、能耗高、效益低”的困扰，要解决这些问题，大力提高各行业的自动化 水平是必不可少的一环。要提高自动化水平，在过程工业领域使用d c s 是必由之路。我国目前使 用的d c s 绝大多数是从国外引进，花费了巨额的夕h = 。许多中小型企业由于缺乏大额资金，只能对 d c s “望洋兴叹”。为r 尽快提高我国工业自动化水平，普及d c s 的应用，必须大力促进国产d c s 的发展。 国产化d c s 今后的发展目际是在计算机技术、通讯网络技术、信号处理技术、过程控制技 术以及人机界面工程技术等方面达到或超过国外d c s9 0 年代中期水平，研制生产出新一一代d c s ， 进一步推动d c s 的国产化进程，在工业控制领域，“泛适用，形成产业规模。要进一步完成的主要内 容包括 网络通讯技术新的通讯技术( f d d i 、快速以太网等) ，无线通讯技术。 人机工程技术：d c s 中引入多媒体技术，包括大显示屏、摄录像、语言处理。使用先进的软件 平台设计操作站和工程师站人机界面软件。 控制技术：引入或设计自适应、预估、最优、模糊控制等技术。 系统软件发展或选用更新型有效的实时多任务操作系统、网络操作系统和网络数据库。 可靠性：提高电子元器件的集成度，采用定制i c 、集成电源、工业级c p u 卡件，发展现有的容 错技术。 产品系列化：形成小型集中式系统小、中、大型集散控制系统，以及管理控制一体化系统的 系列化，开发现场安装的智能化仪表及现场总线通讯技术。 5 1 1 3 组态软件的介绍： “组态”的概念是伴随着集散型控制系统的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所 熟知的。 在控制系统中使用的各种仪表中，早期的控制仪表是气动p i d 调节器，后来发展为气动单元 组合仪表，2 0 世纪5 0 年代后出现电动单元组合仪表和直接数字控制系统( d d c ) 。7 0 年代中期 随着微处理器的出现，诞生了第一代d c s 。到目前d c s 和其他控制设备在全球范围得到了广 泛应用。计算机控制系统的每次大发展的背后都有着3 个共同的推动力：微处理器技术质的飞 跃，促成硬件费用的大幅度下降和控制设备体积的缩小；计算机网络技术的大发展；计算机 软件技术的飞跃“。 由于每套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中，为了使用户在不需要 编代码程序的情况下，便可生成适合自己自己需求的应用系统，每个d c s 厂商在d c s 中都预装了 系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件，但一直没有人给出明确定义， 只是将使用这种应用设计生成目标应用系统的过程称为“组态”或“做组悫”。 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进 行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。监控 软件是面向监控与数据采集( s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活， 功能强大。监控软件最早出现时，蹦i 或删i 是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随 着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对t 0 设各 的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控软件将会不断被赋予新的内容”。 直到现在，每个d c s 厂家的组态软件仍是专用的( 即与硬件相关的) ，不可相互替代。从8 0 年代末开始，由于个人计算机的普及，国内开始有人研究如何利用p c 进行工业监控，同时开始 出现基于p c 总线的a d 、d a 、计数器、d i o 等各类i o 板卡“j 。应该说国内组态软件的研究起 步是不晚的。当时有人在m s d o s 的基础上用汇编语言或c 语言编制带后台处理能力的监控组 态软件，有实力的研究机构则在实时多任务操作系统i r m x 8 6 或v r t x 上做文章，均未形成有竞 争力的产品“3 。随着m s - d o s 和i r m x 8 6 用户数量的萎缩和微软公司w i n d o w s 操作系统的普及， 基于p c 的监控软件才迎来了发展机遇，以力控软件为代表的国内组态软件也经历了这一复杂的 过程。世界上第一个把组态软件做为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的w o n d c r w a r c 公司，它于8 0 年代末率先推出第一个商品化监控组态软件i n t o u c h “。此后监控组态软件在全球 得到了蓬勃发展，目前世界上的组态软件有几十种，总装机量有几十万套”。伴随着信息化社会 的到来，监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，每年的市场增幅都会带来 较大的增长，未来的发展前景十分看好”。 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代虽然计算机开始涉足_ t 业 过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程控制系 统在各行业的推广速度比较缓慢。7 0 年代初期，微处理器的出现，促进了计算机技术走向成熟。 首先微处理器在提高计算能力的基础上。大大降低了计算机硬件成本，缩小了计算机的体积， 很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。这一历史 时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出的世界上第一套d c st d c 一2 0 0 0 。丽随后 6 中国农业大学硕士学位论文 培铪 的2 0 q ! l q 。d c s 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛的应用，此时的d i g s 以具有较丰富 的软件，包括计算机系统软件( 操作系统) 、组态软件、控制软件、操作站软件及其他辅助软件 ( 如通信软件) 等。 这阶段虽然d c s 技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的，除了在功能上不断加 强外，软件成本一直居高不下，造成d i g s 在小型项目上的单位成本过高，使一些中小型应用项 目不得不放弃使用d c s 。8 0 年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统概念的推广，基于 个人计算机的监控系统开始进入日霸自，并发展壮大。组态软件做为个人计算机监控系统的重要组 成部分，比p c 监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议，加入“p c 迸控”的阵营。目前，几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都是用p c 做为操作站。第二，由于p c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从 无人职守的远程监视( t q 防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、 矿井报警等) 、数据采集与计量( 如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等) 、数据分 析( 如汽车和机车自动测试、机组帮设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟一一起、 生产线产品质量抽检等) 到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和p c - b a s e d 设备可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统 和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业 自动化系统中的灵魂。 组态软件之所以同时得到用户和d c s 厂商的认可，主要有以下2 个原因。 ( 1 )个人计算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜。 ( 2 )计算机的软件及开发工具丰富，使组态软件的功能强大，开发周期相应缩短，软件 升级和维护也较方便。 目前，多数组态软件都是在w i n d o w s 31 或3 2 操作系统下逐渐成熟起来的，国外少数组态软 件可以在o s 2 或u n i x 环境下运行。目前绝大多数组态软件都运行在w i n d o w s 9 8 n t 环境下。较 理想的环境是w i n d o w s n t 或w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，因为其内核是原来的v m s 的变种，可靠 性和实时性都好于w i n d o w s 9 8 。 组态软件的开发工具以c + + 为主，已有少数开发商使用d e l p h i 或c + + b u i l d e r 。一般来讲，是 用c + 十开发的产品运行效率较高，程序代码较短，运行速度更快，但开发周期要长一些，其他开 发工具则相反。 市场竞争的加剧使行业分工越来越细，“大而全”的企业将越来越少( 企业集团除外) ，每个 d c s 厂商必须把主要精力用于他们本身所擅长的技术领域，巩固已有优势。如果他们还是软硬件 一起傲，就很难在竞争中取胜。今后社会分工会更加细化。表面上看开功能较单一的组态软件， 其市场才刚被挖掘出一点点，今后的成长空问还相当广阔。 组态软件的发展与成长和网络技术的发展与普及密不可分。曾有+ 段时期，各d c s 厂商的 底层网络都是专用的，现在则使用国际标准协议，这在很大程度上促进了组态软件的应用。 应该说现场总线技术是一种特殊的网络技术，其核心内容一+ 是工业应用，二是完成从模拟方 式到数字的转变，使信息和供电同在根双线电缆上传输，还要满足许多技术指标。同其他网络 一样，现场总线的网络系统也具各o s i 的若于层协议。在这个意义上讲，现场总线与普通的网络 系统具有相同的属性，但现场总线设备的种类多，同类总线的产品也分现场设备、耦台器等多种 7 类型，在未来几年现场总线设备将大量替代现有现场 殳备，给组态软件带来更多机遇。 在+ 个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件式系统的数据收集处理中心、远程监视中 心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备( 如p l c 、智能仪表、 d c s 等) 共同构成快速响应控制中心。控制方案和算法一般在设备j ：组态并执行，也町以在p c 上组态，然后下装到设备中执行，根据设备的具体要求而定。 监控软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成以f6 项任务。 ( 1 )查看生产现场的实时数据及流程画面； ( 2 ) 自动打印各种实时历史生产报表； ( 3 ) 自动测览各个实时历史趋势画而； ( 4 )及时得到并处理各种过程报警和系统报警： ( 5 )在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态； ( 6 )与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。 组态软件的应用不仅仅局限在工业企业，在农业、环保、邮政、电信、实验室、医院、金融、 交通、航空等各行业均能找到使用组态软件的实例。随着社会进步和信息化速度的加快，组态软 件将赢得巨大的市场空间。这将极大地促进国产优秀组态软件的应用，为国产优秀组态软件创造 良好的成长环境。促进国产软件品牌的成长和参与国际竞争。组态软件事业的发展也加剧了对从 事组态软件开发与研制的人才需求。以往我们国内的组态软件经历了从无到有的曲折过程，而目 前则面临着如何在未来的竞争中取胜，如何制定未来的发展战略，如何开拓国际市场等一系列新 的课题。组态软件设计自动控制理论及技术、计算机理论及技术、通信及网络技术、人机界面技 术( 即所谓的c r t 技术) 等多个学科，对开发人员的软件设计、理论及实践经验都有很高的要 求。 1 2 目的与意义 集散型控制系统( d c s ，又称分布式控制系统) 从产生到现在已经走过了将近三十年的风风蓐 雨。它以高可靠、高性能、分散控制、集中监视和管理的功能以及合理的价格而得到r 工业界广 大用户的特殊青睐。一般来说，p l c 主要应用于开关量控制，而d c s 则主要应用于模拟量控制。 在我国，d c s 主要应用于石化、电力、冶金等行业，而且需求量很大。国外对d c s 的研究开发 起步比较早，d c s 的功能要比国内的强，可靠性也比较好，但是它的价格比国内的也高，面对国 内工控领域的大量需求，很多厂家注入了大量的人力和物力来开发自己的产品，在这种情况f 开 发- 种国产化的高质量的d c s 是一件势在必行的事情。目前本研究所要进行的工作是开发基于 d c s 的微控制器这项复杂工程中的一部分。 1 随着自动化技术的发展，原来的板卡在数据采集速度方面越来越显示出其不足，所以对于工 业控制来说，进行板卡的硬件改进工作有着实际的意义，尤其是对于模拟量来说，更显得重 要。本论文针对原板卡的不足进行了改进设计工作，其主要目的是提高数据采集速度。 2软件方面要进行驱动程序的开发。为了使f o 板卡采集到的数据更形象化的在上位机显示出 来，在工程中能更方便的让管理人员对现场的情况进行监控，需要有与硬件相配套的工业组 8 态软件，这套组态软件能提供一个开放的编程接口，那么对于用户来说，可以利用这个接e 1 编写自己i o 设各的驱动程序，使得用户能够使用这套软件对自己的i o 设备进行工业组态。这 正是本论文所要完成的驱动程序开发最终耍达到的日的。 经过多年的工程实践证明，原来板卡的性能是比较可靠的，是经得住时间的考验的，本论 文就是在这样的基础上进行的，是对原有部分的改进和发展。 1 3 内容与方法 1 3 1 研究内容 本研究是基于两大类板卡的基础上展开的，即开关量输入偷出板卡、模拟量输入，输出板卡。 研究内容主要分为两部分。第一部分是硬件部分i o 板卡集成电路的改进设计，其主要宗旨是提 高数据的采集速度，改善其存在的不足，满足逐渐发展的工控场合的需求。这部分主要围绕“总 线”展开，原来的板卡主要是上世纪9 0 年代的产品，是一些非智能板卡，使用时需要把板号插 到带有i s a 插槽的工控机上，而当时的i s a 总线是8 位的数据总线，所以使得数据采集速度受到 一定的影响，改进后的板卡采用的是1 6 位数据总线的i s a 总线，数据采集速度会得到提高。另 一部分内容就是为板卡配上套组态软件，使这套组态软件能够对硬件进行工业组态。其主要内 容主要包括两部分，第一。选择组态软件，既要从经济方面考虑，又要从软件的可靠性方面考虑。 国产的软件在价格上低于国外的软件，但可靠性方面比起国外稍有逊色；国外的软件可靠性好， 但是价格昂贵，所以要综合考虑，选择性价比较高的软件。第二编写驱动程序。驱动程序是硬 件的灵魂，其主要功能是在所配套的组态软件环境下，驱动硬件进行数据的采集和转换等功能， 进行控制策略的编写，动态的撮示现场设备的运行状况。具体的研究内容如下： 1 开关量输入板卡的硬件改进设计及测试。 2 开关量输出板卡的硬件改进设计及测试。 3模拟量输入板卡的硬件改进设计及测试。 4 模拟量输出板卡的硬件改进设计及测试。 5开关量输入板卡的驱动程序开发。 6开关量输出板卡的驱动程序开发。 7 模拟量输入板卡的驱动程序开发。 8 模拟量输出板卡的驱动程序开发。 9 软硬件联机调试。 1 3 2 研究方法 基于d c s 的微控制器i o 板卡的硬件方面的工作主要是在参考原板卡的基础上进行的。根据 说明书，借助原板卡的原理圈，查阅相关资料，分析各个芯片的使用方法，从总体上理解整个板 卡的设计思想，然后在这个基础上具体分析系统总线和各个芯片是如何结合起来最终实现数据采 集功能的。再查阅相关的资料，分析和测试i s a 总线新扩震的一些信号的具体用法，构思板# 的 9 中国农业大学硕十学位论文绪论 基本结构，制作实验扳，对实验板进行必要的测试。 软件方面的工作这样开展，三维力控公司的工业组态软件f o r c e c o n t r o l 提供一个开发包 一f i o ss d k ，充分利用这个工具，弄清楚接n 部分的程序是怎样实现的，然后参考有关驱动开 发方面的书籍，根据硬件说明书的要求，利用v i s u a lc + + 语言编写驱动程序，并且进行相应的调 试，不断地进行修改一查错修改，直到程序上调试没有问题。 最后要进行软硬件联机调试，方法是把板卡插到工控机的i s a 插槽中，板卡外接调理板，通 过调理板的接线端子，可以把采集的信号送到扳卡上，或者把板卡上输来的计算机的一些信息送 到现场做控制用。有关的联机调试方法，在后面的章节中会有详细的说明。 l o 三璺i ! ：生兰竺圭兰垡丝奎一 系统的总体设计方案 第二章系统的总体设计方案 由于国内工业发展滞后于国外( 欧美些老牌工业大国早在j 8 世纪工业革命之初便开始了 j 二业设备的升级换代) ，为了追赶发迭国家必须走结合自身国情韵中国工业发展之路。鉴于一些 相邻国家或地隧：卜1 本、台湾等地在这方面的发展状况，目前国内一些企业公司也正开始联合高 校开始了这方面的探索。日本在p l c 领域的发展可以与欧美国家相媲美，其欧姆龙、三菱等品牌 的p l c 设各在中国工业界早已是家喻户晓。而台湾也因近年来在电子行业中的投入产生了一大批 电子电路加工制造企业，在工业领域有研华、鸿格、f a m a 等。其中鸿格的 p c 8 0 0 0 系列工业 微控制器为这次开发找到了方向。其采用基j ：p c 总线硬件架构，在p c 总线( 1 s a 或p c i 0 4 ) 的 基础上增加开关量i o 、模拟量i o 及脉冲量i o ，结构简单，功能稳定可靠。 2 1 微控制器的组成方案 微控制器的开发是一个庞大的系统工程问题，包括方方面面的工作。主要包括两大部分的内 容：硬件和软件。硬件主要包括主板和i o 板卡，而软件部分主要是板卡的驱动程序的编写。目 前，主板采用的是研祥j t e c h c g - 4 5 嵌入式主板，其硬件配置为美国国家半导体的g x l 3 3 3 m h z ， c p u 主频3 3 3 m h z ，性能类似奔腾i i 一3 3 3 ，其带有的蝴$ 5 5 3 0 a 南桥芯片集成众多接口，包 括g p z x s 3 3 3 、a u d i o 、p c i 、i s a ( p c l 0 4 ) 、e t h e m e t 、鼠标、键盘、c r t 显示器接口、i o e 、l p t ， 这些特点正好吻合嵌入式微控制器的要求，可扩展的i s a ( p c i 0 4 ) 总线，可外扩i o 扳卡，实现真 正的p c b a s e d 的总线模式。其3 2 位微处理器，满足系统速度和时间的要求。主板上安装了w i n c e 嵌入式操作系统，嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设 备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本 特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬