（控制理论与控制工程专业论文）基于web的arm9控制器组态软件开发.pdf

中文摘要 随着计算机技术与控制技术的发展，基于嵌入式技术的控制器以其性价比高、 适用性强等优点具有广阔的市场前景。嵌入式控制器的应用需要良好过程控制软件 的支撑。传统嵌入式控制器开发软件存在着对开发周期长、控制算法单一、成本高 等缺点，结合目前嵌入式系统和组态软件的发展趋势，本文在a r m 控制器上设计 了基于网络的模块化、可组态、多算法、低成本的开发软件，可以适应不同场合的 应用。本文首先概述了工业控制系统的背景和发展现状，总结了嵌入式控制系统的 特点、分类及发展趋势，并引入了组态软件的概念。 针对系统现有硬件资源，本文利用m t d 工具实现了对f l a s h 存储空间的在线分区 管理，使得组态信息和数据能够得到及时的存储；在对当前流行文件系统进行比较 的基础上，采用了基于r a m d i s k 的e x t 2 根文件系统和管理f l a s h 的i 仃s 2 文件系统的 双文件系统；通过对比远程控制网络结构，运用b s 模型构建a r m 控制系统软件 的三层结构：人机界面层、组态信息处理层、控制算法实现层；搭建了控制系统的 开发环境，包括交叉编译环境的建立，选择并移植b o a 服务器和s q l i t e 数据库，制 作根文件系统以及制作l i n u x + x e n o m a i 双内核的内核映像等；通过在内核空间实现 s p i 设备驱动，用户空间实现a d d a 设备驱动实现了结合内核空间与用户空间优势 的双驱动，并对设备临界资源采用同步原语进行保护以防止并发和竞态的发生。 最后通过对x e n o m a i 多任务机制的运用，开发了包括p i d 算法、模糊控制算法 以及神经网络p i d 算法的模块化通用控制软件，实现了基于浏览器的控制系统组态 软件的整体设计。该软件达到了使控制器具有同时控制四个不同回路、且每个回路 可以由用户配置控制算法、参数、扫描周期等功能的要求。实验结果表明，采用本 软件开发的控制系统具有良好人机界面且能严格按照用户的定制对四个回路进行控 制。 关键词：a r m双文件系统l i n u x x e n o m a i 组态软件控制器 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o n t r o l l e rb a s e do n e m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sw i d em a r k e tp r o s p e c t sd u et ot h e h i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t i o a n ds t r o n ga p p l i c a b i l i t y t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dc o n t r o l l e rn e e d ss u p p o r to fg o o d p r o c e s sc o n t r o ls o 觚a r e t r a d i t i o n a le m b e d d e dc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n ts o f t w a r eh a si t s c e r t a i ns h o r t a g es u c ha sl o n gd e v e l o p i n gc i r c l e ，u n i t a r i t yo fc o n t r o la l g o r i t h ma n dh i g h c o s t c o m b i n i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e ds y s t e mw i t ht h a to fc o n f i g u r a b l e s o f t w a r e ，o na r mc o n t r o l l e rt h i s p a p e rd e s i g n sm o d u l a r i z e d ，c o n f i g u r a b l e m u l t i a l g o r i t h ma n dl o wc o s td e v e l o p m e n ts o f t w a r eb a s e do nn e t w o r k 。w hi c hc a nb e a p p l i e dt od i f f e r e n ti n d u s t r ys i t u a t i o n f i r s t ，b a c k g r o u n da n dp r e s e n ts i t u a t i o no fi n d u s t r y c o n t r o is y s t e mi s o u t l i n e d ，f e a t u r e s ，c a t e g o r i e sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fe m b e d d e d c o n t r o ls y s t e ma r ec o n c l u d e d ，a n dt h e nc o n c e p to f c o n f i g u r a b l es o f t w a r ei si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r er e s o u r c e sn o wa v a i l a b l e t h i sd i s s e r t a t i o nu t i l i z e sm e m o r y t e c h n o l o g yd e v i c et o o lt or e a l i z em a n a g i n gp a r t i t i o n so ff l a s hm e m o r ys p a c eo n l i n e ， w h i c hm a k e sc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o na n dd a t ac a nb es t o r e di m m e d i a t e l y ；c o m p a r i n g t h ef i l e s y s t e m sp r e v a l e n tn o w a d a y s ，d o u b l e f i l e s y s t e mw h i c hc o m b i n e de x t 2r o o t f i l e s y s t e mb a s e do nr a m d i s kw i t hj f f s 2f i l e s y s t e mi sa d o ，p t e d a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s t a n a l y s i so fr e m o t ec o n t r o in e t w o r ks t r u c t u r e s t h eb r o w e r s e r v e rm o d u l ei su s e dt o c o n s t r u c tt h et h r e el a y e r so ft h ea r mc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gm m i l a y e r , l a y e rd e a li n g w i t hc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o na n dl a y e rr e a l i z i n gc o n t r o la l g o r i t h m s ；t h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fc o n t r o i s y s t e m i s b u i l t , i n c l u d i n ge s t a b l i s h i n gc r o s s c o m p i l i n g e n v i r o n m e n t , c h o o s i n ga n dt r a n s p l a n t i n gt h eb o aw e bs e r v e ra n ds q l i t ed a t a b a s et ot h e t a r g e tb o a r d ，m a k i n gt h er o o tf i l es y s t e ma n dm a k i n gk e r n e li m a g ew i t hb o t hli n u xk e r n e l a n dx e n o m a im i c r o - k e r n e l ；d o u b l ed r i v e ri sr e a l i z e d b yt a k i n ga d v a n t a g eo fb o t h r e a l i z i n gs p id e v i c ed r i v e ri nk e m e ls p a c ea n dr e a l i z i n ga d d ad e v i c ed r i v e ri nu s e r s p a c e ，a l s ot h ec r i t i c a lr e s o u r c eo f t h ed e v i c ei sp r o t e c t e db ys y n c h r o n i z a t i o np r i m i t i v e a tl a s t , a p p l y i n gt h em u l t i - t a s k i n gm e c h a n i s mo f x e n o m a i ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p s m o d u l a r i z e da l l p u r p o s ec o n t r o ls o f t w a r ei n c l u d i n gt h ep i dc o n t r o l a l g o r i t h m ，f u z z y c o n t r o la l g o r i t h ma n dn e u r a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m b a s e do nw e bb r o w s e rr e a l i z e st h e w h o l ed e s i g no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h i ss o f t w a r em e e t st h e r e q u i r e m e n t sw h i c hc a nc o n t r o lf o u rd i f f e r e n tl o o p s a n df o re a c hl o o pc u s t o m e r sc a n c o n f i g u r ec o n t r o la l g o r i t h m ，p a r a m e t e r ，s c a np e r i o da n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h i ss o f t w a r eh a sav e r yf r i e n d l yh m la n di tc a nc o n t r o lt h ef o u rl o o p ss t r i c t l y a c c o r d i n gt ot h en e e do fc u s t o m e r k e yw o r d s ：a r m ，d o u b l ef i l es y s t e m ，l i n u x ，x e n o m a i ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，c o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：韩年 签字日期： 如。7 年6 月丘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 韩平 签字日期：2 n7 年6 月争日 导师签名： 喜彦1 签字日期： d 罗年石月笋 第一章绪论 1 1 工业控制系统的现状 第一章绪论 在我国工业控制逐步自动化的发展道路上，作为工业自动化设备和信息产业基 础设备核心的工业控制器功不可没。工业控制系统种类繁多，包括可编程逻辑控制 器p l c 、集散控制系统d c s 、现场总线控制系统f c s 、基于p c 机的软逻辑控制器 以及嵌入式控制系统。嵌入式系统由于其具有用户定制性、简洁性、开放性、稳定 性、可靠性等优点吸引了大批工业用户。以嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为核 心的嵌入式技术是近年来工业控制器一个新的技术发展方向。下面简要阐述这些工 控系统的特点。 1 1 1 可编程控制器p l c 国际电工委员会( i e c ) 在其标准中对p l c 的定义是：可编程控制器是一种数 字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控 制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的 原则设计。 从早期主要由分立元件和中小规模集成电路组成的可以完成简单的逻辑控制及 定时、计数功能的p l c 发展到现在，p l c 具有以下特点【4 】：1 可靠性高，抗干扰能力 强：2 配套齐全，功能完善，适用性强：3 易学易用，深受工程技术人员欢迎；4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；5 体积小，重量轻，能耗低。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、等各个行业。包括： 开关量的逻辑控制；模拟量控制；运动控制；过程控制；数据处理等各个方面。 国外著名p l c 厂商包括：三菱，欧姆龙，s i e m e n s ，g ef a n u c ，r o c k w e l l 等，北京和利时、厦门海为、淅大中控、无锡信捷等是我国比较著名的p l c 生产厂 家。随着我国现代化进程的深入，p l c 在我国将有更广阔的应用天地。同时人们逐 渐认识到传统p l c 存在的缺点：难以构建开放的硬件体系结构；工作人员必须经过 较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统p l c 的生产被几家厂商 第一章绪论 所垄断，造成p l c 的性价比增长很缓慢等【5 1 。近年来，随着p c 技术的迅猛发展以及 p l c 方面国际标准的制定，软p l c 技术兴起。 1 1 2 基于p c 机的软逻辑控制器 软p l c 是一种基于p c 机开发结构的控制系统，它具有硬p l c 在功能、可靠性、 速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业p c 转换成全功能的 p l c 过程控制器。软p l c 综合了计算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、 数值处理、网络通信、p i d 调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指 令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和连接各种l o 系统及网络的开放式结构。 所以，软p l c 提供了与硬p l c 同样的功能，同时又提供了p c 环境的各种优剧6 | 。 虽然软p l c 具有很大的发展潜力，但作为一项新技术，还有一些问题需要解决： 1 作为软p l c 首选的操作系统w i n d o w s n t ，受其响应时间限制，它并不能满足硬实 时；2 软p l c 的控制任务应具有不低于n t 系统进程的优先级，这样，在操作系统发 生蓝屏等情况下还能进行控制；3 还有一些产品的操作系统基于d o s 环境。但由于 其单任务处理方式，并不能充分利用p c 机的资源；4 可靠性还有待加强【7 】。 1 1 3 集散控制系统d c s 集散控制系统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 ) 是一个由过程控制级和过程监控 级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机( c o m p u t e r ) 、通讯 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、显示( c r t ) 和控制( c o n t r 0 1 ) 等4 c 技术，其基本思想是分散控制、 集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。 d c s 的以下特剧2 j ：1 高可靠性：d c s 高度的冗余性以及控制功能的分散性保 证其高可靠性：2 开放性：d c s 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计；3 控制 功能齐全：控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串 级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需特殊控制算 法；4 灵活性：通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态；5 易于维护 性：6 协调性等【2 】使其被广泛应用于连续过程控制和监控等i o 点数过万的大中型系 统中，如电厂主控、石化行业和造纸业等场合，特别擅长大规模的模拟量控制。 d c s 自1 9 7 5 年问世以来在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不 断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，d c s 正在向着更 加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。 2 第一章绪论 1 1 4 现场总线控制系统f c s 根据国际电工委员会i e c l1 5 8 定义，现场总线，即是安装在工业生产过程区域 中的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向、串行、多点通信的 数据总线，而以现场总线为基础的开放式全数字控制系统称为“现场控制系统”1 3 。 f c s 系统综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能 仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字 模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、 多接点的通信与控制系统。它用数字信号取代4 m a 到2 0 m a 模拟信号，可提高系统 精度，而且可把一些功能( 如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等) 赋于 现场仪表，提高了现场仪表的自主性和可靠性i 引。 1 1 5 嵌入式控制系统 通用控制产品的“客制化”是工业控制器领域的一种发展趋势，即发挥本地化优 势，为客户量身定做工业控制器并提供后续的定制和改进服务。面向特定行业应用 的控制产品其实就是专用控制器，它在本质上是一个嵌入式系统。目前，工业生产 线上开始广泛应用嵌入式控制技术和基于嵌入式技术的控制器。 普遍被认同的关于嵌入式系统的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础， 软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统【8 】。嵌入式技术是2 1 世纪最有生命力的新技术之一。 自计算机技术从2 0 世纪9 0 年代进入“后p c 时代”以来，控制系统正在向网 络化、数字化发展，这使得控制技术和嵌入式技术的结合更加紧密。现代工业对控 制系统的可扩展性、可管理性和易用性提出越来越高的要求，常规仪表逐渐被以嵌 入式系统为核心的计算机控制系统期待。目前，各种各样的新型嵌入式系统在应用 数量上已远远超过通用计算机。现今嵌入式软件已被应用与开发到：国防、移动通 信、电子、办公自动化、工业控制等各个领域。 1 2 嵌入式系统 1 2 1 嵌入式系统的发展 自上世纪7 0 年代单片机的出现，到现在嵌入式系统的发展大体可划分为以下4 个阶段【9 】： 第一章绪论 第l 阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。这类系统大部分应用 于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，而是通过汇编语言 编程对系统进行直接控制，运行结束后清除闪存。这一阶段系统的主要特点是：系 统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于 这种嵌入式系统使用简单、价格低，因此以前在国内工业领域应用较为普遍，但是 现在已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制的需求。 第2 阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其 主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到 一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第3 阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是：嵌入式操 作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高， 并且具有高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、支持多任务、支持网络应 用、具备图形窗口和用户界面；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序较简 单：嵌入式应用软件丰富。 第4 阶段是以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代 表嵌入式系统的未来。 1 2 2 嵌入式系统的分类 按照现状，根据嵌入式系统采用的处理器，一般分为几类【8 j ： 1 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，最大特点是单片化，芯片内部集成了总 线、r a m 、f l a s h 、定时计数器等功能外设，外围只需极少的电路，故外围芯片较 少，整个系统体积小、功耗低。微控制器的片上外设资源比较丰富，适合于控制。 2 数字信号处理器 数字信号处理器d s p 特别适合于进行数字信号处理运算，主要用于实时快速实 现各种数字信号处理的算法。d s p 芯片由于采用哈佛结构，比传统的冯诺曼依结构 的指令执行速度更快，它的多总线结构使得c p u 在单周期内可多次对程序空间和数 据空间访问，它支持流水线操作，并配有专用的硬件乘法器。目前应用最为广泛的 是t i 公司的t m $ 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列。 3 嵌入式片上系统 嵌入式片上系统s o c 是一种集成器件，它追求系统最大包容，成功的实现了软 4 第一章绪论 硬件无缝结合，整个系统特别简洁，且可靠性高。 4 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器m p u 的基础是通用计算机中的c p u ，具有较高性能，价格也 相应较高，在软件配置上常常可以运行嵌入式操作系统，与计算机c p u 不同的是它 只保留与嵌入式应用相关的硬件，以最低功耗和资源实现嵌入式系统应用的特殊要 求。与工控机相比，嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低，且增强了工作温度、 抗干扰和可靠性等方面的优势。目前的嵌入式处理器主要包括：p o w e r p c 、m o t o r o l a 6 8 0 0 0 、a r m 系列等。 a r m ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称， 还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司从成立至今的短短几十年就占据了7 5 的 市场份额，其应用已深入到各个领域，a r m 的成功一方面得益于它独特的公司运作 模式，另一方面原因主要是a r m 特有的优势：a r m 核的开放性，a r m 芯片的高性 价比、高可靠性和极低的功耗，a r m 丰富的扩展接口，以及应用系统软件良好的可 移植性和嵌入式操作系统的易植入性等1 1 0 1 。 目前，采用a r m 技术知识产权核的微处理器已遍及工业控制、消费类电子产 品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。全世界有几十家大的半导体 公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制 造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受， 更具有竞争力。本文中的控制器正是基于a r m 9 系列芯片。 1 2 3 基于w 曲的控制系统 如前文所述，嵌入式系统发展到第四阶段是以网络为标志的。 随着计算机技术、通讯技术、自动化技术和软硬件技术的进步，计算机网络技 术迅速发展，远程信息反馈、远程控制成为可能。在工业控制中，一直由现场总线 垄断的过程监控层和现场设备层信息传输网络开始逐步采用以太网，因为它可以实 现系统的全面开放。在工业控制中使用以太网技术的优势还体现在其协议简单、成 本低、通信速率高，且稳定性、可靠性好，普及率高，软硬件资源丰富，可持续发 展潜力大。此外，工业以太网通过t c p | p 协议簇可以实现与i n t e m e t 无缝连接，融入 计算机网络技术发展的主流中，从而在任何i n t e m e t 所到的地方，都可以对现场仪器 设备进行控制j 。 目前美国华盛顿大学谈自忠教授已研究出基于i n t e m e t 远程操作机器人控制系 统，并在基于网络监控的无人工厂及具有危险性的场合开始初步运用。而目前国内 的监控系统主要是基于现场的控制系统，内部各相关控制系统各成体系，没有充分 第一章绪论 利用现有的网络资源。如何将现有的控制策略与网络技术结合起来实现远程控制， 使控制系统具有更好的分布性及可操作性，将是能否很好实现管理与控制一体化的 关键【12 1 。 而随着w w w 的迅猛发展，基于讨e b 的应用因其良好的开放性和可操作性越来 越受到欢迎。现在，基于w e b 的远程控制系统已投入到实际的应用领域，如深海探 测、井下作业和空间探测等，并取得很好的经济效益，其应用前景十分广阔。今后 的发展方向应该是尽量满足数据传送的实时性要求、数据的事件驱动及数据源主动 传送等。 1 3 控制程序组态软件 1 3 1 组态软件概念 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监 控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业 自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件分为人机界面h m i m m i 和监视控制和数据采集s c a d a0 9 。 1 3 2 组态软件的发展趋势 “组态”的概念是伴随着集散控制系统d c s 的出现才开始被广大的生产过程自 动化技术人员所熟知。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三 方编写h m i 应用，开发时间长，效率低，可靠性差：或购买专用工控系统，选择余 地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能受到严重的 限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能， 构建一套最适合自己的应用系统。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予 新的内容1 2 0 。 虽然组态软件因其方便的界面设计而使参数显示及图形动画变得非常容易，并 为工程人员开发设计带来了便利，但是组态软件也有一些不足，从中也看到了组态 软件的发展方向： 1 数据采集的方式：大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以根据需 求进行配置。然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由 用户按照某种组态软件的接口规范编写，这对用户提出了过高的要求。 2 组态软件的控制功能：随着企业提出的高柔性、高效益的要求，以经典控制 6 第一章绪论 理论为基础的控制方案已经不能适应。先进控制策略如：自适应控制、状态反馈控 制、多变量预测控制、推理控制及软测量技术、智能控制( 专家控制、模糊控制和 神经网络控制) 等，尤其智能控制已成为开发和应用的热点。国外许多控制软件公 司和d c s 厂商也竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包，但价格相对昂贵。 3 对i n t e r n e t 的支持程度：现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。 i n t e r n e t 将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到 支持i n t e r n e t ，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要课题。 4 各个厂商的编程软件仅针对自身品牌的p l c ，不具有通用性；使用不同品牌 的p l c 需要购买多套编程软件且核心技术不公开，自主开发的难度加大。 1 4 本课题研究的主要内容及贡献 本文的目标是在现有硬件资源的基础上完成控制系统整体的软件开发，本人完 成的工作包括： 1 在分析本控制系统已有资源的基础上搭建了控制系统的开发环境，包括交叉 编译环境的建立，对超级终端和m i n i c o m 进行配置，n f s 文件系统的设置等；对支 持本控制器进行网页动态交互的c g i 技术工作原理和传送方法进行了简要说明后， 介绍了制作h t m l 页面的方法，并移植了支持c g i 技术的函数库c g i c 。 2 通过对远程控制网络结构的比较以及对现有控制器和组态软件发展趋势的总 结，运用b s 模型组建整个控制系统软件的三层结构，基于w e b 来对被控对象进行 控制：根据本控制器的需求以及对已有嵌入式服务器和嵌入式数据库的分析，选择 并移植b o a 服务器和s q l i t e 数据库；本文的一大特点是利用m t d 工具对系统有限存 储资源进行管理：加入了f l a s h 的驱动程序，充分利用了f l a s h 中的剩余空间。通过 对当前流行的嵌入式文件系统和控制器现有硬件资源的综合分析，采用基于r a m d i s k 的e x t 2 根文件系统和i f f s 2 的双文件系统：制作了l i n u x + x e n o m a i 双内核的内核映像。 3 为适应本控制器的需要，实现了在内核空问的s p i 驱动及用户空间的a d d a 设备的双驱动程序，对设备临界资源采用同步原语进行保护。 4 运用实时内核x e n o m a i 实现了多线程控制，开发了模块化的包括p i d 算法、 模糊控制算法以及神经网络p i d 算法的通用控制软件，实现了基于浏览器的控制系 统组态开发软件的整体设计。该软件具有良好人机界面，使控制器具有同时控制四 个不同回路、每个回路可由用户配置控制算法、参数、扫描周期等功能。 第二章系统资源分析与开发环境建立 第二章系统资源分析与开发环境建立 2 1 控制器硬件平台 2 1 1 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司基于a r m 9 2 0 t 核的高性能、低功耗1 6 3 2 位砌s c ( 精 简指令集计算机) 微处理器，内部集成丰富的外设资源，适用于要求外设资源丰富、 功耗低、工作严格稳定的工业控制等方面，如嵌入式工业控制、医疗设备、网络通 信、移动计算等。部分主要特性简述如下【1 3 】： 融合了a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器 一工作于18 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s ，含存储器管理单元 一l6 k 字节的数据缓存，1 6 k 字节的指令缓存，写缓冲器 低功耗：v d d c o r e 电流为3 0 4m a ，待机模式电流为3 1m a 附加的嵌入式存储器：s r a m 为1 6 k ：r o m 为1 2 8 k 外部总线接口( e b i ) ：支持s d r a m ，静态存储器，b u r s tf l a s h ，无缝连接的 c o m p a c t f l a s h ，s m a r t m e d i a 及n a n df l a s h 提高性能而使用的系统外设： 一有1 2 2 个可编程i o 口线的四个3 2 位p i o 控制器，各线均有输入变化中断 及开漏能力 一2 0 通道的外设数据控制器( d m a ) 1 0 1 0 0b a s e t 型以太网卡接口 u s b2 0 全速( 1 2m 比特秒) 主机双端口 u s b2 0 全速( 1 2m 比特秒) 器件端口 多媒体卡接e i ( m c i ) 3 个同步串行控制器( s s c ) 4 个通用同步异步接收发送器( u s a r t ) 主机从机串行外设接f f i ( s p i ) ：8 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外设 两个3 通道1 6 位定时计数器( t c ) 两线接口( t w i ) 所有数字引脚的i e e el1 4 9 1j t a g 边界扫描 第二章系统资源分析与开发环境建立 2 1 2 基于a t 9 1 i 洲9 2 0 0 的系统概述 控制器主体由核心板、底板和模拟量输入输出板组成。依托a t 9 1 r m 9 2 0 0 内 置的s p i 控制器，还可串行扩展各种符合实际工程需要的板卡，包括数字量输入输 出板卡、c a n 总线卡、z i g b e e 无线传感器接1 2 1 卡等。核心板主要资源如下： 1 主处理器为a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，工作主频为1 8 0 m h z ； 2 1 6 m b 的n o rf l a s h 存储器，可存放操作系统、用户程序和需要掉电保存的数 据； 3 两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 并行连接组成3 2 位宽度的s d r a m 作为系统运行的区域； 4 1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网通讯端口，为系统提供了以太网接入通道； 5 r s 2 3 2 接口，可完成与p c 机或其它支持串行通信设备的通信； 6 r s 4 8 5 接口，用于支持r s 4 8 5 通讯； 7 标准j t a g 接口，可通过该端口对控制器进行调试，常用于进行硬件测试； 8 调试串口d b g u ，用于通过p c 机的超级终端对控制器进行软件调试； 本控制器与控制过程数据采集相关的硬件资源主要集中在模拟量扩展板上，下 面介绍一下模拟量扩展板的硬件实现。 a d 转换器件采用a n a l o gd e v i c e 公司的a d 7 3 2 7 。它具有1 2 位分辨率，具有真正 的双极性输入范围，采样速度达到5 0 0 k s p s 。可选择的8 路单端输入，差分、伪差 分模拟输入，内置2 5 v 电压参考、温度传感器和通道调度器。可选电压输入范围包 括：+ 1 0 v ；+ 5 v ；+ 2 5 v ；o 1 0 v 。支持5 v 供电电压，而功耗低至1 7 m w l l 4 j 。其 中a d 的电压输入范围可以由用户在h m i 界面中组态以适用于不同的被控对象。 a d 部分的原理图如图2 1 所示： 图2 1a d 原理图 d a 转换器件采用国家半导体公司的d a c l 2 4 s 0 8 5 。d a c l 2 4 s 0 8 5 是一款1 2 位 4 通道低功耗的数字模拟转换器，有轨到轨输出摆幅，并采用外置的电压参考。上 电后各通道输出电压自动复位为0 v ，并且可以选择单独或同步输出。支持时钟速度 最高达到4 0 m h z 。支持5 v 供电，此时输出电压范围可达o 5 v ，而功耗仅为2 4 m w t l 5 j 。 d a c l 2 4 s 0 8 5 由一个1 6 位的移位输入寄存器控制输出更新模式、运行模式、低 9 第二章系统资源分析与开发环境建立 功耗条件、二进制输入数据。4 个输出通道由两个模式位决定同时更新或者单独更 新输出。 d a 部分的原理图如图2 - 2 所示： c l r v dr 9f i0 p f 1 k 一，土a 二。 u ， 、 1 0 0 k 堕n l m 4 0 5 04 1 2 0 4 7 u f tn 1 可 手 鳖、罂 u 1 2l - t0 7 坠! ! 芝g2 斗 l 0 d i n i in = 廷ef i 溢v a 嚣掣_ l 1 i 熙i 葛 k 2 2 嵌入式操作系统 图2 - 2d a 原理图 操作系统为应用程序提供了与硬件无关的运行环境。嵌入式操作系统的出现， 大大提高了嵌入式系统的开发效率，使开发人员从繁琐的驱动程序开发中解脱，能 够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。嵌入式操作系统除了具备一般操 作系统功能，如任务调度、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理 和中断处理等，还具有以下特点：可定制性、可移植性、实时性、低资源占有性、 固化代码、强稳定性等博l 。 目前流行的e o s 产品包括有：v x w o r k 、嵌入式l i n u x 、w i n d o w s c e 和r t c l o s 1 1 等，他们各具特点，也各自有一些不足之处【l6 j ： 1 v x w o r k s 操作系统可靠性高且实时性强，被广泛应用于通信、军事、航天、 等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。但其自身也有以下缺陷：v x w o r k s 目前 版本的p p p 协议有一定局限性，任务间通信机制有一定的缺陷且其源代码不公开， 价格及为昂贵，软件的开发和维护成本都非常高等。 2 w i n c e 与w i n d o w s 系列由较好的兼容性，适应小型系统，为低成本、弱计算 能力系统提供简捷、高效、完善的控制手段，支持多种处理器结构，模块化，可选 择特性定制。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务 第二章系统资源分析与开发环境建立 的操作系统。w i n c e 通常为某个特定用途而设计，并在不联机的情况下工作，不具 备强大的网络功能。且它实时性和可靠性不尽人意，也不开放源码。 3 u c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，很容易就能把操作系统移植到各 个不同的硬件平台上；占先式的实时内核，实时性强；多任务：可管理6 4 个任务。 但由于它仅是一个实时内核，所以它不像其他操作系统那样，提供给用户的只是一 些a p i 函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。 随着e o s 的发展，l i n u x 越来越多地引起了人们的重视。将l i n u x 用于嵌入式 系统有着众多的优势，具体体现在以下方面【9 】： 1 低成本开发系统：l i n u x 的源代码是开放的，从而降低开发费用，提高开发 产品效率，并在l i n u x 社区中可以获得支持。 2 支持多种硬件平台，包括x 8 6 ，a l p h a 、a r m 等。 3 可定制的内核，由于其独特的内核模块机制，可根据用户需要，实时地将模 块从内核中插入或移走，从而做到量体裁衣。 4 性能优异：内核精简、高效和稳定，能充分发挥硬件功能，运行效率高。 5 良好的网络支持，支持以太网、无线网络、令牌环和光纤等，因而提供了强 大的网络功能。 虽然l i n u x 并非实时性操作系统，但本控制器考虑至u l i n u x 的上述优良性能选择 了l i n u x 操作系统。且目前有很多开源项目支持l i n u x 实时化，如l 玎l i n u x ，r t a i ， x e n o m a i ，他们的实现都是基于a d e o s 的系统，在l i n u x 内核之下再构建一个抢占式 的微内核，每个操作系统都在独立的域内运行，l i n u x 内核作为微内核操作系统的一 个进程来运行，非实时任务仍然由l i n u x 管理，实时任务与l i n u x 同为并列的进程， 交由微内核管理【1 7 1 。为提高l i n u x 的实时性而目前结构设计得最完善，开发维护工 作最到位，a p i 功能最强大，对a t 9 1 r m 9 2 0 0 的支持最好的开源项目，是x e n o m a i 。 因此，本工业控制器操作系统架构采用l i n u x + x e n o m a i 的双内核形式解决l i n u x 实 时性比较弱的问题，还能兼容大多数主流实时操作系统上的软件，如：v x w o r k s 、 p s o s + 、p o s i x 、v r t x 等。由于x e n o m a i 提供了以上操作系统的仿真，基于以上操 作系统的应用程序都可以无缝移植至l j l i n u x + x e n o m a i 的架构上【l 刚。 2 3 嵌入式开发环境的建立 嵌入式l i n u x 开发环境一般由l i n u x 宿主机、嵌入式目标系统和将它们连接在一 起的网络环境构成。由于嵌入式设备没有足够的内存及存储资源来完成应用程序的 编译过程，于是产生了交叉编译的概念。即在一个平台上( 宿主机) 生成可以在另 第二章系统资源分析与开发环境建立 一个平台上( 目标机) 执行的代码f 9 】。 2 3 1 交叉编译环境建立 交叉编译器完整的安装涉及到b i n u t i l s 、g c c 、g l i b c 等软件。b i n