（机械电子工程专业论文）基于internet的嵌入式远程监控系统的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 基于i i l t e r i l e t 的远程监控是目前机电控制领域的研究热点问题。底层控制器 通过企业信息网接入h l t e m e t ，管理人员可以在世界上任何地方监视并控制这些 设备的运行状况而不必亲临现场，从而节省了大量的费用。这种系统在工业自动 化领域有着广泛的应用。本文在分析了国内外研究现状和远程监控系统中的关键 技术及其实现方式后，提出了一套切实可行的软硬件设计方案，并将其应用于工 程实例中。 首先，本文对国内外远程监控系统研究现状及存在问题进行了分析和讨论。 在此基础上，通过分析传统可编程控制器的设计特点，提出了基于h l t 锄c t 的嵌 入式远程监控系统的总体框架，并对其关键技术进行了分析，确定了系统软硬件 的设计方案。 其次，本文给出了控制器的硬件设计方案，包括c p u 模块，背板模块，开 关量输入输出模块，模拟量模块，脉冲输出模块。整个系统的c p u 选用3 2 位 a i t m 嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o ，配置r t l 8 0 1 9 a s 构成1 0 m 以太网接口。4 槽背 板通过8 b i t 并行总线与c p u 连接，方便用户在各个槽上配置各种外设。开关量 输入输出模块可以用于离散量的逻辑控制，模拟量模块用于采集传感器输出信 号，脉冲输出模块可以独立输出两轴脉冲+ 方向信号，可以作为伺服或步进驱动 器的上位机使用。现场监控模块可以通过串口的方式与控制器连接，对一些关键 参数进行现场监控。 再次，本文论述了远程监控系统软件设计的具体方法，详细论述了远程监控 系统软件设计的各个环节。系统设计了一种类似解释语言的系统程序段，对用户 程序进行翻译。用户程序可以采用符合国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 的梯形图语言。远 程监控程序负责控制器与上层的数据交互。网络数据通信功能由l i n 畎下的 s o c k e t 编程来实现，采用客户机朋骚务器( c s ) 的模式。文中详细叙述了套接字多 线程网络编程的实现方法。 最后本文结合一个具体的工程实例给出了远程监控系统的应用实例。 关键词：a i t m 、嵌入式系统、1 1 1 t e m e t 、u c l i n 慨 西北工业大学硕士学位论文a b s n 。a c t a b s t l a c t r e m o t ec o n 仃o l 锄dm o n i t 嘶n gs y s t e m ( r c m s ) b a s e do n1 1 1 t 锄e ti sah o t i e s e a j hi s s u ei nm e c h a t r o l l i cc o n t r o lf i e l d i fc o n t r o h e r sa r ec o 舯e c t e dt oi m e n l e t p e o p l ec 趾m o n i t o f 锄dc o n 们le q u i p m e n t sw l l e r c v c rt l l e ys t a y l o t so f m o n e yc a i lb c s a v e dm r o u g ht 1 1 i sm e t l l o d s u c hs y s t e m s 甜ew i d e l yu s e di l li n d u s 们a la u t o m a l i o n a r c a a n e r 锄a l y z i n gt h ek e yt e c h n o l o g y 锄d 托s e a r c hs t a t l l sb o t l li nc l l i m 柚d o v e r s e ao nr c m s 锄i m e g r a t e ds o l u t i o nf o rs o f t 、张r ea i l dh a r d w a r co fr c m sa 坞 d e m ，e di nt l l i sp a p c r 1 k ss o l l n i o ni sa l s o 印p l i e di ne n g i n e e fp r o j e c t f i r s t l y ，t l l e 陀s e a r c hs t a t u sa i l de x i g t c l np r o b l e mo f r c m o t cc o n t r o l 锄dm o l l i t o r i n g 趼s t e mi l lc l l i 衄卸do v e r s e 懿a r ea n a l y s c d t h e 丘锄e w o r ko fr e m o t ec o n 由r o l 锄d m 嘶t o r i n gs y s t e mi sp r o v i d c db a s c do n 趾l y s i n gm ec h a m c t e r i s t i co fp l c a n e r 柚a l y z i l l g 吐屺k c yt e c l l i l o l o g yo fi t 舭p 1 锄o fs o f t 、v a r c 柚dh a r d w a r cf o rr c m si s 、】l ，o r k e do u t h a r d w a 阳d e s i g l li st h e nd e s c r i b c di i lt l l i sp a p e r n ew h o l es y s t e mc a nb e d i v i d e di n t ot w op a n sc p um o d u l e ，b a c kp a i l e l ，d c i n p u tm o d u l e ，r e l a yo u t p u t m o d u l e ，a 1 1 a l o gm o d u l e ，p u l g e n e r a t i o nm o d u l e 3 2 一b i ta r m i u s cm i c r o 】) m c e s s o r s 3 c 4 4 b oi su s e di nc p um o d u l e i cr t l 8 0 1 9 a si su df o ri n t e m e ta c c e s s 4 s l o t b a c kp a l l e lt 啪s f e r sd a t a 、 ，i t l lc p um r o u 出8 b i tp 撇l l e lb 哪m o d u l e sc 锄b e c o i l f i g u r e de a s i l y 、v i t l lb a c kp 卸e 1 d ci 印mm o d u l e 锄dr e i a yo u t p u tm o d l l l ec a nb e u s e df o rd i s c r e t el o 西cc o n t r o lo c c a s i o n a i l a l o gm o d u l ei su s e dt oc o l l e c tt h es i p m a l s g e n e r a t e d 筋m 辩n s o r s p i l l s eg e n e r a t i o nm o d u l ec a no u t p u t2 a x i ss i g n a l sw i t hp u l s e 锄dd i r e c t i o np a t t 锄i tc 柚b eu 辩d 硒t l l ec o n t r o l l e rf b r r v om o t o ro rs t e p p e r m o t o r 确v e r s n l i r d l yt l l ep r o c e s so fs o 忸r ed e s i 驴i sd e s c r i b e dd e t a i l e d t h ei n t e r p 佗t m e t l l o di su s e df o rt r a n s f b r r i n gu s c r sp r o g 埘ni m oc p u e x e c u t i n gc o d e t h es t a i l d a r d l a d d e rl o g i ca c c o r dw i t i ll e c 6 1 1 3 1 3c 孔b e e di n “ss y s t e i l l s o c k e tp r o 鲫珊峨i n g t m d e rl i n u xm e t l l o di su s e dt or e a l z et l l er e m o t ec o m m l l r i i c a t i o n t h ec u s t o m e ra n d s e r v e rm o d e l i ss e l e c t e di nt l l i ss y s t e m a t1 a s tap r o j e c tr e l a t e d 嘶t l lr c m o t ec o n t r o la n dm o i l i t o r i n gi sd i s c i l s da tt i l e e n do f t h i sp 印e r k e y w o r d s ：a i 洲，e m b e d d e ds y s t e m ，i n t e m e t ，u c l i n l d 【 l i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关傈护知识产权的瓶定，鄄：研究生在校攻读学位帮闻论文工作 的知识产权单位属于西北工监大学。学校有权保留并向闺家有关部门域机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可敬将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究谋题再撰写的文章一律注明作者单位为鞭北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：挝 闻年 强3 嚣 一：纽唾 口7 年铂多鼎 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严灌豹学风和优良的科学道德，本人郑重声明：掰呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的戒果。尽我所妇，除文中已经注明；i 用的内容 和致谢瓣地方外，本论文不包含任何其他个人藏集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其缝己申请学位或其他用途使蜊过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个入和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担切榴关的法律责任。 学位论文作者签名：盏包 ：棚年每月3 目 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 在工业自动化领域，为采集和评估数据，联网已成为工业处理的一个重要部 分。通常，工业网络的能力有限，拓扑结构封闭，而且其承载的协议和数据是专 用的。不过，这些解决方案正在被应用更广泛的标准( 例如以太网) 所取代，这些 标准运行t c p ，m 甚至w 曲协议，而不是更实时或更专用的接口。 随着科技的日益进步和生产规模的增大，现代机电设备的结构日趋复杂，自 动化程度也越来越高，为了保证这些设备的正常高效运行，必须对其进行有效的 监控以提高整个工厂设备运行的稳定性和可靠性。在目前，现场总线还广泛被应 用于工业现场底层设备之间的连接，但是现场总线的距离有限，而且现场总线有 多达十几种的标准，彼此之间不能方便高效的实现信息共享或互操作。要想实现 企业的全球化生产，把生产数据直接传送到工厂，实现远程监控，必须借助现在 信息网的骨干i n t 锄e t ，这是一种非常经济和有效的方法。把底层设备通过企业 信息网接入h l t e m e t 可以在世界上任何地方监视并控制这些生产现场以及设备的 运行状况而不必亲临现场，从而节省了大量的费用。而且设备供应商也可以通过 网络对自己的设备进行维护，对产品性能及时跟踪调查以进一步改进设计。 在工业自动化领域，p l c ( 可编程逻辑控制器) 已经成为最常用的控制装置 之一。究其原因，p l c 的模块化的设计，强大的逻辑处理能力，方便的编程开发 方式，稳定可靠的工作性能都成为其制胜的关键因素【1 2 1 6 1 。但是由于科技发展 的限制和几十年来的应用，p l c 的设计师们更侧重将其设计成一个可单机工作的 强大的位逻辑处理器，就算是联网，也假定两台p l c 之间只需要很少量的数据 交换，所以采用的主从结构的请求应答方式通信。时至今日多数的p l c 仍是通 过串口的形式或各种工业专用网络与上位机交换信息的。显然这种结构在日益复 杂的工业自动化环境中其缺点是显而易见的，串口的通信速率以k 计量，传输距 离和挂载设备的数量受到严格的限制。而专用的工业网络的专用性不利于整个大 控制系统的集成。 本文的设计了一种基于1 1 1 t e m e t 通用远程监控装置，利用i n t e m e t 作为其与 其他设备交互信息的途径，以取代传统p l c 的不足之处。在软硬件设计方面力 争充分吸收和继承传统p l c 的优点，本控制器具有如下特点： 具有b t e m e t 接入能力，能够应用于需要高速处理大量数据的控制场合 模块化设计，可组态。方便用户根据特定控制场合组建对应的控制系统 硬件平台设计开放化，充分利用p c 技术的成果 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 目前国内外广泛采用的控制器入网方案为三层网络方案，如a b 公司的 c o n 仃o l o g i x 9 系列，s i 锄e n 护公司的s 7 3 0 0 ，4 0 0 。这两类适用于大型控制系统的 p l c 都带有以太网通信模块。他们都采用设备层、控制层、信息层的三层网络配 置方式m j 。其中设备层负责将低层的设备直接连接到车间控制器上。这种连接 无需通过模块，即可方便而快速的采集来自不同厂商的、距离远近不同的现 场设备( 如传感器、驱动器等) 的数据，对其进行配置和监视；控制层负责在各 个p l c 之间及其与各智能化控制设备之间，进行控制数据的交换、控制的协调、 网上编程和程序维护、远程设备配置。也可以连接各种人机界面产品进行监控； 信息层负责提供上层计算机系统通过以太网访问车间级的数据，主要为全厂范围 控制系统的数据汇集和监视。特点是数据量大而实时性要求不高。它的开放性协 议使各种主计算机和不同厂商的p l c 可以互联，在必要时也可以进行一些控制 和协调。这一层采用符合公共标准t c p i p 协议的以太网。 之所以采用三层网络的形式是因为在在过去的数十年时间里，相对于工业控 制中其它网络，由于i n t e m e t 网络技术起步较晚且具有安全性、时延性以及资源 紧张等诸多局限性。随着千兆以太网的出现以及相关t c p i p 等网络技术的不断 完善，基于i n t e m e t 的远程控制应用于工业控制已成为可能【】，因此如今人们把 目光的焦点越来越多的投入到该领域。 随着工厂所使用的数据采集设备、可编程逻辑控制器、传感器、仪表及其他 系统越来越相互依赖，终端用户希望寻求能在高度集成环境下采用的更广泛的网 络及网络应用。办公室人员希望休息时段也能在p c 上监视及优化生产过程，这 些迫切的要求都推动着工业网络走向标准化、单一化。 不过，设计这样一种系统并构建可利用其优势的设备会带来极大的工程挑 战。网络方面最严格的约束可能来自极端的环境条件：制造设施与工业场所常常 处在高温、高湿及高电气干扰的环境中。尽管传统以太网所采取的屏蔽措施或许 能避免大部分电气干扰，但硬件可靠性与冗余备份也很重要。 一种有吸引力的解决方案是集成设备联网，它在芯片的某一部分实现以太网 联网，以获得一种可靠且高性能的解决方案。设计人员可在几个层次上进行集成。 例如，设计人员可通过定制a s i c 或商用集成处理器( 例如n e t s i l i c 公司的 n e t + a r m 等) 在芯片级上进行集成。n e t + a r m 处理器采用a r m 7 或a r m 9 处 理器内核并集成1 0 1 0 0 b a t 以太网和众多外设连接，如u s b 及p c i 。n e t b 啪e r 公司也提供一种带有摩托罗拉c o l d f i r e5 2 7 0 微处理器、闪存、s d r a m 及l o 1 0 0 以太网的类似配置产品。设计人员也可在板级进行集成，即在板上集成标准处理 器、以太网和其他外围器件。电路板一般能增加更多的处理能力与外部接口，如 数字i o 、模数与数模转换以及支持r s 2 3 2 与r s 一4 8 5 4 2 2 的串口。例如，a m d 公司可提供n e t l 8 6 嵌入式以太网参考设计，包括a m l 8 6 e s 微控制器、闪存与 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 s d r a m 、串口和网络控制器。 在软件级，带有t c m p 的以太网作为一种协议栈具有一些不太理想的特性。 特别是这些协议可以减少但不能完全避免冲突，而且不能保证数据包按顺序或在 规定时间内传递。有两种方法可以缓解这些协议问题。第一种是优化协议或以太 网协议栈内的硬件来进行补偿。另一种方法是采用以太网的基本硬件与网络层， 但是使用一种专门针对实时工业系统设计的协议替代t c p 仃p 。 1 3 论文研究的的意义及主要内容 1 3 1 论文研究的意义 随着i n t e m e t 在全球大规模的应用和i p 、，6 的普及，以太网及t c m p 等标准 网络协议栈的应用必定降低工业网络的成本，使得基于i n t e m e t 的控制网络应用 持续增加。嵌入式以太网控制器解决方案在继承传统p l c 优点的基础上，增强 其网络通信能力，使得其如虎添翼。采用这种低成本高性能的控制器能够在车间 与通用网络之间实现空前的连通性。目前，这种配置最普通的应用是远程监控， 通常是通过c s 或b s 的模式进行监控。将制造过程中的实时数据及时反馈到信 息管理层，可极大地提高生产力与效率。 1 3 2 论文研究的主要内容 本文的主要研究任务是设计一种基于h t e m e t 的通用远程监控器，按照上述 分析该控制器在继承传统p l c 优点的基础上还具有以太网接入能力，采用单一 网络的方案实现整个工业现场的监控。整个控制器硬件采用模块化设计的思路， 方便后续开发人员设计更多新型的模块以满足工业控制现场的需求，软件设计采 用软p l c 工作方式，由控制器程序扫描用户程序实现控制逻辑。根据上述原则 本文拟定了具体的设计目标： c p u 板：采用s a m s 咖gs 3 c 4 4 b o 处理器外加r t l 8 0 1 9 网络芯片构成整个控 制器的核心。 背板：利用s 3 c 4 4 8 0 的数据、地址总线和读写控制信号设计一块多槽背板， 每个槽位具有一组读写控制信号，8 b i t 数据总线和p w m 输出。 模块：8 路开关量输入模块；8 路开关量输出模块：8 路a d 采集模块；2 路 步进伺服控制模块。 软件：用软件的方式实现常用p l c 的逻辑指令( 常开、常闭、与、或、非) 。 网络：通过i n t e n 陀t 能采集到现场的状态，能发送控制指令。 本文的研究内容共分为六章。 第一章是绪论部分，简要分析了基于i m e r n e t 的远程监控系统的研究现状， 并介绍了本次开发研制工作的主要内容和意义。 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第二章分析了远程监控系统的关键技术及其实现方式，概述了控制单元的硬 件整体结构、主要功能以及软件总体设计思路。 第三章描述控制单元的硬件设计方案，较详细地分析了各功能模块的电路实 现原理。 第四章描述控制单元的软件设计方案，详细地论述了软件开发设计原理。 第五章介绍了应用该控制单元来实现i n t e m e t 远程控制的实例，给出了详细 开发过程和程序清单。 第六章总结了完成的工作以及存在的不足，并展望了系统的应用前景。 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章远程监控系统总体设计方案 第二章远程监控系统总体设计方案 2 1 远程监控系统总体结构 基于h l t e m e t 的远程监控系统能够将设备层工作状态反馈到上层管理层，同 时能响应上层发来的控制指令。具体的方法是实现控制器的网络接入功能，这就 要求控制器具有e t l l e r i l e t 接口，能在以太网上进行数据传输。上位机可以是任何 一台接入五恤m c t 的计算机，通过客户端软件实现与控制器的信息交互。图2 一l 给出了远程监控系统示意框图。 图2 - 2 远程监控系统总体结构示意 上图中的关键设备就是本文所要设计开发的网络控制器，这种控制器不仅能 完成现场的逻辑控制功能而且还具有网络接入能力。从上图中可以看出，只要在 具有i n t e m e t 接入条件的地方，就可以部署远程监控系统，将原有的控制器替换 为具有以太网接入能力的网络控制器，整个工厂的设备就被方便的集成到了一 起。由于i n t e r n e t 现在已经遍布全球，不仅计算机能够上网，工厂设备同样可以 作为其成员接入，随着i p v 6 的应用，口地址桔竭的问题已不复存在。这样生产 线上的任何信息都可以在h l t e m c t 上路由，管理人员可以通过客户端通信软件方 便的对其进行监控。 本系统监控方式选择客户端服务器模式，而没有采用b s 即浏览器服务器 模式。网络控制器只负责数据的收发，而数据的管理通过上位机通信软件来实现。 如果采用b s 模式的话，网络控制器还将承担服务器的功能，由于网络服务器的 西北工业大学硕士学位论文第二章远程监控系统总体设计方案 架设会占用大量的系统资源，这会对其性能造成很大的影响，从而影响到现场控 制程序的执行。而c s 模式下，网络控制器只需在需要时完成网络数据的传输， 所有数据通过上位机软件处理并显示，上位机一般为一台工业p c ，完成这样的 任务是绰绰有余的。 2 2 远程监控实现的基本原理 远程监控的实现无非就是把反映本地设备运行状态的数据通过e t l l e i e t 网 络接口发到监控方同时能响应控制者通过网络发来的控制命令。如何解析发来的 控制命令，传统的做法是发送双方事先约定好一套规则，按照对应的规则进行响 应。这样的话我们就必须为不同的控制场合编写不同的处理程序，显然制约控制 器的通用性，增大了厂家的维护成本。其实了解了通用p l c 的工作原理后，响 应远程控制命令的方法就变得简单多了。 由图2 - 3 可以看出，现场信号) ( i ( i - 1 ，2 ，p ) 通过p l c 的输入接口读入s r a m 的da _ c a m e m o r y 中的输入映像区，由系统程序负责按照用户设定的逻辑完成转换 写入输出映像区，然后再将输出映像区的内容写入输出锁存器，并通过输出口输 出信号y j ( i _ 1 ，2 ，p ) 。p l c 作为一种通用的工业控制装置，其最大的特点就是采 用循环扫描的工作方式，接受外部的输入控制信号，按照用户的程序进行逻辑控 制，并把结果输出到外部装置。 当系统应用于需要进行远程监控的场合时，我们只需要将输入映像区和输出 映像区的内容通过以太网络发送给监控者就实现了远程监视：同样远程操控者通 过以太网将数据发送到控制器并由控制器内的程序将其写至输入或输出映像区 就实现了远程控制，此外采用嵌入式开发平台很容易实现通过以太网下载程序， 当需要更改控制逻辑时，也省去了亲临现场的麻烦，这样又实现了远程维护的功 能。这样根据特定应用要求开发的用户程序就不再局限于现场控制或在小范围内 通过专用网络而实现的联网控制，任何一台接入i n t e 圮t 的计算机都具备监控现 场设备运行状况的能力。 图2 3p l c 工作原理 在嵌入式平台上通过网络收发数据也是一件异常容易的事情，由于有操作系 统的支持，可以不必去写繁杂的网卡芯片驱动程序，最简单的方法就是采用 s o c k e t 套接字编程，其中流式套接字( s t r e a ms o c k e t ) 支持t c p i p 协议，它在传输 数据时是有序的能够保证通信的可靠性，在建立连接后，应用程序对套接口的读 写就无需担心诸如分组丢失、超时和重发、分组接收顺序混乱等问题。这样的机 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章远程监控系统总体设计方案 制对于要求苛刻的工业控制现场是一件非常有意义的事情。 2 3 网络控制器硬件总体结构 网络控制器必须具有以太网接入能力，故必须设计以太网接口电路。为了兼 容以往的串口设备，本控制器仍然保留串口通信功能。在工业自动化现场，最常 用的对离散量进行逻辑顺序控制，这类应用常见于各种生产、装配线。在一些过 程控制的场合，还需要采集一些传感器输出的信号，或者需要输出一个模拟量信 号对其进行调节。在一些位置控制或运动控制场合，还需要控制器能够输出指令 脉冲对电机的运行速度等参数进行控制。综合上述应用，网络控制器应该具有如 下模块；开关量输入，开关量输出，模拟量输入，模拟量输出，脉冲输出模块。 图2 4 网络控制器硬件配置 设计一个通用的网络控制器，硬件设计上必须是模块化的，可以扩展的，可 配置的，此外为了完成远程监控功能，必须为系统设计网络接口使其具备h l t e m c t 接入能力，从上述分析出发，整个控制系统应包含如下几个部分： c p u 部分：从控制的角度来说，c p u 的核心任务是理解用户的程序并执行， 由于采用循环扫描的工作方式，c p u 的指令周期直接决定着整个控制系统执行 用户程序的速度，所以一般选用高性能的3 2 微处理器，实时的网络通信也耗费 着系统的大量资源，所以我们选用s 跏s 衄g 公司的删7 处理器s 3 c 4 4 b o 。基 于a i t m 的嵌入式处理平台能极大的缩短开发的周期，比如上文我们提到的通过 网络修改控制程序，在嵌入式平台下很容易实现。 e t l l e m e t 网络部分：要实现基于1 1 1 t e m e t 的远程控制，必须具有网络接入的 能力。常用的方法是使用一颗以太网接口芯片实现与e t l l e n l e t 的物理层连接，这 里我们选用风组l t c k 公司的r t l 8 0 1 9 a s 。 背板部分：背板提供通用的插槽供各种控制模块使用，由于c p u 提供的译 码信号有限，所以必须利用c p u 的地址线与读写控制信号通过逻辑译码i c 产生 各槽相应的读写控制信号。所有模块都需要和c p u 交换数据，通常可以直接利 用系统的数据总线设计成并行的方式，也可以使用系统提供的串行口设计成串行 传输模式。串行传输模式能有效的利用系统的串行中断来传输数据，提高c p u 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章远程监控系统总体设计方案 的利用率，但系统必须提供相应的串行口资源。s 3 c 4 4 8 0 提供了两个串行口， 保留一个串行口作为一些老式串口设备的接口，另一个串口在调试时提供控制台 功能。此次设计的数据传输接口采用8 b i t 数据并行接口方案。 i o 模块：工业控制中最常见的就是开关量的逻辑动作控制，这些控制都需 要对应点数的i o 模块来接收输入信号或给出输出逻辑。本系统利用背板上的8 位数据总线设计了8 路开关量输入模块和8 路继电器输出模块。由于工业控制现 场的干扰大，传输距离长，所以普遍采用2 4 v 的直流电源作为输入信号，故8 路输入模块的光耦限流电路必须能够处理2 4 v 直流电压输入。常用的接近传感 器分为n p n 型和p n p 型，要能同时适应这两种传感器，输入光耦就必须采用输 入侧具有双向二极管的光耦如t l p l 2 0 ；8 路继电器输出模块本身对c p u 板来说 就是一个干扰，此外控制系统对继电器的性能有严格的要求，为此我们采用日本 勿尉删形4 。生产的n y 2 4 w - k 直流继电器。 a d 模块：由于工业控制系统中的一些非电量参数需要通过传感器采集才能 测量，而传感器输出信号一般是o 5 v 或4 2 0 认的信号，控制器要处理这样的 信号必须设计模拟量输入模块；还有很多场合需要用到模拟量输出功能，例如变 频器可以接收上位机给出的电压信号从而调节交流异步电机的转速，智能仪表接 收控制器给出的电压值进行p i d 调节等。可见模拟量输出模块在控制系统中也 必不可少，由于本系统采用了8 b i t 数据总线并行接口的方案，故a d 模块也选 用并行接口的i c ，a d 芯片采用朋缸砌。公司的m a x l 9 7 ，d a 芯片选用m a ) 【5 0 4 。 智能模块：智能模块指一些提供特殊功能的控制模块，如位置控制模块，高 速计数模块，运动控制模块等，本控制器利用s 3 c 4 4 b o 的p w m 定时器提供两 路脉冲+ 方向形式的脉冲输出，利用这个模块，可以方便的对步进电机或伺服电 机进行简单的定位控制。 串行接口：本系统保留了一个串行接口，目的是为了兼容一些目前还在广泛 使用的串行设备，如触摸屏、条形码阅读器等。 现场人机接口：通过现场人机接口可以对控制系统进行一些简单的参数设定 或运行时监控，也方便在网络出现故障的紧急状况来监控设备。这个接口使用串 口与控制器交换数据。 2 4 远程监控系统软件开发思路 2 4 1网络控制器软件总体结构 网络控制器采用3 2 位高性能a r m 处理器，是一个典型的嵌入式平台。在 嵌入式平台上开发应用程序相对来说比开发5 1 单片机要复杂的多，因为单片机 往往是为完成某一特定任务设计的，程序中一般采用无限循环的方式来执行某一 段程序。而网络控制器功能强大，c p u 需要处理的任务较多，故采用高性能的 西北工业大学硕士学位论文 第二苹远程监控系统总体设计方案 嵌入式平台是较为合适的。般嵌入式平台上都运行着特定的操作系统，它采用 一定的机制调度系统程序和用户程序的运行，从而使c p u 的利用率更高。此外 采用嵌入式操作系统的好处是操作系统内含有大量基本硬件的驱动程序，只需根 据硬件平台稍加改动就能使用，这样加快了系统整体的开发速度。 图2 - 5 软件结构示意图 上图给出了整个系统软件结构示意图，网络控制器端选用u c l i n u x 作为嵌入 式操作系统，控制器端开发程序包括3 大部分：其中解释程序负责将用户程序翻 译成c p u 能执行的代码；f l a s h 烧写程序负责周化用户程序。通信程序负责控制 器的网络数据通信。其主要任务是根据客户指令的要求将输入映像区或输出映像 区的数据发送到客户端，或根据客户指令改写输入映像区或输出映像区的数据。 客户端应用程序主要是发送或接收网络数据，按照一定的格式展现给客户，采用 v c + + 6 o 编程实现，其核心是w m 3 2 下的网络通信程序。关于系统的b o o t l o a d e r 和u c l i n 慨系统的移植本文不具体介绍，可以参见参考文献【6 】【刀。 2 4 2 用户程序的翻译方法 在工业自动化领域，被广泛采用的用户程序表达方式为梯形图逻辑，它从原 来的继电控制线路发展而来，特点是方便易学，为广大机械工程师所接收，本网 络控制器也采用符合i e c 6 1 1 3 l - 3 国际标准的梯形图作为用户程序。 c p u 是不能直接执行梯形图逻辑的，故必须为其设计一种类似解释或编译 的系统程序段，对于用户程序进行翻译。对于用户程序的翻译处理一般有三种方 法：第一，解释法即由控制器中用事先写好的程序对用户程序逐条解释，完成 9 客户端 网络控制器 西北工业大学硕士学位论文 第二章远程监控系统总体设计方案 相应的功能。第二，编译法将用户程序通过上位机软件编译成控制器c p u 的机 器码，由c p u 直接执行。第三种方法是采用专用的c p u 直接执行用户程序，从 执行速度的快慢来分，第三种方法最为适合，但这种方案需要定制一颗价格不菲 的专用的位处理器，目前还不具备这样的开发条件。借鉴国内外的一些p l c 厂 商，其中小型系统多选择解释法和编译法，这样有利于降低产品的成本，提高产 品的综合竞争力。为此本系统选用解释模型来处理用户程序，对梯形图中常用的 指令给出对应的解释程序。 2 4 3 网络通信的实现方法 采用嵌入式开发平台可以使用s o c k e t 套接字编程很容易实现远程监控程序， 但是这里面必须注意要合理的利用c p u 资源，必须把远程监控程序当作系统默 认运行的一个后台服务程序，这就必须使用u c l i n i | ) 【的线程管理。核心程序和套 接口监听程序同时运行，两者由操作系统负责调度，当监听到有远程的请求时， 监控程序负责接收或发送数据至输入映像区或输出映像区。 本系统采用c s 模式的远程监控，服务器端( 控制系统) 有一个进程( 或多个 进程) 在指定的端口等待客户端来连接，服务程序等待客户的连接信息，一旦连 接上之后，便按设计的数据交换方法和格式进行数据传输。客户端在需要的时刻 发出向服务端的连接请求。这样控制系统的核心任务还是专注予现场的逻辑控 制，当有请求时采用一个线程传输数据，客户端软件在接收到需要的消息后，可 以作进一步的处理，这些处理完全由客户端的软件进一步来执行，这种在上位机 组态的方式对于减轻控制器负担来说是很有效的，对比b s 的模式，它需要把嵌 入式控制系统做成一台w e b 服务器，这样控制器不仅要收发控制信息，还要负 责处理所有的信息并在自身的w 曲平台上来显示，如此繁重的任物对于资源和 运行速度有限的嵌入式平台来说将是一个繁重的负担，很可能导致现场控制程序 的无法执行或整个系统的崩溃。故c s 的远程监控模式是适合于本系统的，参考 目前各大组态软件的设计思路他们也都采用了c ，s 模式。 2 5 本章小结 本章主要论述了远程监控系统中的关键技术及其实现方法，给出了整个系统 软硬件设计的思路。 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章网络控制器硬件的设计与实现 第三章网络控制器硬件的设计与实现 3 1 硬件设计概述 图3 1 网络控制器硬件框图 整个系统的硬件平台如图3 1 所示，其中c p u 和e t l l e m e t 部分采用a r m 嵌 入式平台实现，这个平台的参考设计为三星公司提供的开发板原理图，去掉了 u s b ，l c d 和a u d i o 部分【4 】。背板部分完成了系统控制信号的译码和电平的转换， 这部分通过8 - b i t 并行数据总线传输。设有4 个插槽，每个插槽提供一组读写控 制信号、8 b i t 并行数据总线以及两路p w m 输出脉冲。背板上每个槽位可以配置 相应的模块，直流开关量输入模块可以采集控制现场的离散开关量信号，单模块 最大点数为8 路；继电器输出模块可以用来控制一些输出逻辑，例如接触器的吸 合、指示灯的亮灭、电磁阀的通断等。a d 模块采用1 2 位并行模数转换i cm 觚1 9 7 设计，而没有采用s 3 c 4 4 b o 自身的a d ，这样设计有利于提高采集的精度；d a 模块用于输出模拟量调节信号，例如输出o 1 0 v 的电压信号调节变频器的转速。 采用i cm 缸5 0 4 设计：脉冲输出模块采用s 3 c 4 4 b o 提供的p w m 定时器实现， 能输出两路独立的脉冲+ 方向信号，可以作为伺服或步进驱动器的上位机。 c p u 采用s 锄s 岫g 公司的a r m 7 系列的s 3 c 4 4 b o 处理器，a r m 7 的存储 西北工业大学硕士学位论文 第三章网络控制器硬件的设计与实现 器是冯诺伊曼结构”，根据第二章中的分析，将各资源映射到相应的地址空间。 系统存储器采用一片f l a s h 和一片s d 凡m ，其中f l a s h 存储器映射在n g c s o ， s d r a m 存储器映射在n g c s 6 ，网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 映射在n g c s 3 ，i o 模块和a d 模块使用8 b i t 数据总线传输数据，统一将这些外部设备映射在n g c s 5 后，通过一组译码电路产生的读写控制信号来片选各外设。 g 轴o r 蚰船s c 渊 ( n g c s 7 ) 粼，钔0 m b l i 渐幻 餐翰呐a 弘鼬s 【嬲 it a 材e4 1 ( n 0 ：s 6 ) 斟雕1 锏蕊船j s f 婚醵 翌i 惦 伽g i ：s 5 ) s r o 麟 圳 伽g c s 4 ) s r o m - 2 5 6 糯s 口7 口l 柙删 3 黼 a c c r e i s r o 醵 3 猢 伽g c s 2 ) s r o 磷 3 2 m b 坼0 c s ” 郛l a l 幻n c 配n r e g 珞澉s 4 m b y t e 暑l s r 0 ” t 猢 i | i g c s 0 ) 图3 2s 3 c 4 4 b o 复位后存储器映射 3 2 硬件电路具体实现 3 2 1 电源电路、复位电路、系统时钟电路 s 3 c 4 4 b o 处理器i o 需要3 3 v 供电，而a r m 内核采用2 5 v 供电，而外部 扩展i o 电路设计采用5 vc m o s 接口，另外8 路继电器输出需要2 4 v 的驱动。 故整个系统采用直流2 4 v 供电，依次通过l m 3 1 7 、l m l l l 7 3 3 、l m l l l 7 - 2 5 产 生5 v 、3 3 v 、2 5 v 电压供系统各部分使用，第一级选用t o 2 2 0 封装的l m 317 稳压，主要是考虑到各背板连接各外设都采用5 v 供电，而1 i o 2 2 0 封装的l m 3 1 7 最大能提供1 5 a 的工作电流，l m 3 1 7 的输出电压只取决于r 3 6 和r 3 7 的比值， 稳压效果非常好，在电路设计时，由于后级带的5 v 外设较多，应该给l m 3 1 7 1 2 西北工业大学硕士学位论文第三章网络控制器硬件的设计与实现 加装散热器，或将其背面焊在电路板上同等面积空焊盘上。 图3 3 系统电源电路 复位电路采用专用复位芯片m a ) 【8 1 1 ，如图3 4 所示，相比传统的阻容复位 电路，该电路更可靠，抗干扰性更强。时钟电路使用外部晶振( 1 0 m ) 起振，由c p u 内部p l l 电路提供稳定的倍频后的工作频率。 3 2 2 存储器接口电路 图3 4 复位电路 本系统选用s s t 3 9 v f l 6 0 与k 4 s 6 4 1 6 3 2 构建1 6 位位宽的存储系统，硬件电 路图如图3 5 所示，其中f l 勰h 在系统中负责保存固件代码和一些掉电后需要保 存的系统数据区，c p u 复位后会自动从0 】【0 0 0 0o o o o 处或取指令并开始执行， 故必须将f 1 舔h 配置在n g c s o 槽，f l a s h 的2 6 脚接c p u 的1 7 脚接n g c s o ，读 写控制引脚分别接c p u 的读写控制信号n o e 和n w e ，复位引脚接系统的复位信 号。此f l a s h 可以工作于字节( 8 b i t ) 或字( 1 6 b i t ) 存取模式，由4 7 引脚的状态决定， 本系统让f l a s h 工作于1 6 b i t 模式故把4 7 脚接高电平，同时c p u 的o m o 和0 m l 引脚分别接高和低电平让b a f l l ( 0 工作于1 6 b i t 模式。这里需要特别注意的一个问 题是s 3 c 4 4 8 0 的地址计算是以字节( 8 b i t ) 为单位的，而f l a s h 工作于1 6 位存取模 式，物理上不可直接访问奇数位起的一个字节，故不能将c p u 的a d d r o 接f l a s h 西北工业大学硕士学位论文 第三章同络控制器硬件的设计与实现 的a o ，应该使用c p u 的a d d r l 接f l a s h 的a o ，每次以o ) 【l o 位单位前进。 图3 5 系统存储器配置电路 本系统配置了一片8 m 的s d r a m ，s r a m 在系统中主要用作程序的运行空 间，数据及堆栈区，当系统启动后，c p u 首先从0 ) 【o o o o - o 0 0 0 地址读取启动代 码，当初始化工作完成后，程序代码会掉入s d r a m 中运行，以提高系统的运行 速度。s 3 c 4 4 b o 提供了丰富的接口信号，只需将相应的数据、地址总线以及控 制信号与s d r a m 相连即可。 3 2 3 网络接口电路 网络接口芯片采用r t l 8 0 1 9 a s ，要正确设计此部分电路首先必需了解它的 工作方式，r t l 8 0 1 9 支持三种工作方式，跳线模式、免跳线模式、即插即用模式， 这三种模式是指配置网卡i o 和中断的方式。当使用跳线模式时，1 0 和中断由跳 线决定，其实就是指由引脚 1 0 s o - 3 】和引脚 i r q s o 2 】的电平状态决定。当采用免 跳线模式时，i o 和中断由外接的s p i 接口的e e p r o m9 3 c 4 6 中的内容决定。采 用即插即用模式时，1 0 和中断由软件自动配置。通常为了节约系统成本和便于 电路p c bl a y o u t 一般采用跳线模式，这样可以不使用9 3 c 4 6 ，i o 基地址采用 o ) 【3 0 0 h ，中断用i r q o ，这样电路设计时可以将【i o s o - 3 】和【i r q s o - 2 】这七条引脚 悬空( 相当于低电平，i c 内部有下拉电阻) 。引脚i o c s l 6 b 决定8 0 1 9 的字长，本 系统采用1 6 b i t 接口，故将i o c s l 6 b 引脚接高。8 0 1 9 的复位引脚接系统复位信 号。 r t l 8 0 1 9 共有2 0 条地址线s a o