（机械电子工程专业论文）低压综保系统上位机接口技术研究与应用.pdf

人连理工大学硕十研究生学位论文 摘要 低压动力设备在工业控制领域尤其是在石化行业中占有举足轻重的地位，对其进行 安全保护是长期的研究课题。作为主流的现场总线，工业控制局域网c a n 总线因其价格 便宜，协议简单，数据传输可靠等特点，在国内工业控制领域具有广阔的应用前景。u s b 总线技术是目前最为流行的计算机外设接口，具有即插即用、支持热插拔等优点。将它 们的特点进行完美结合，通过硬件设计及软件优化，开发具有高速、方便灵活、高智能 性数据处理的上位机数据接口，将极大方便c a n 的应用环境。 本文分别从硬件和软件两方面详细介绍了丌发这一高智能数据接口过程的细节。设 计时引入 o d b 船协议肘数据传输进行过滤，增强数据传输的完整性、准确性。使用 m icr ( ) s o f t 公刊提供的d d k 工具丌发了u s b 设备的w d m 模型驱动程序，介绍了驱动程序 的工作原理，给出了驱动程序结构以及开发配置范例，详细探讨了驱动程序实现即插即 用的基本原理和实现方法。最后将丌发成果运用到t d t 2 0 0 0 综合保护器控制系统中，针 对系统需求设计了上位机监控软件，成功实现对上传数据的显示和保存，对运行参数的 查询，使系统综合开发难度降低，成本下降，上位机系统资源需求减少，方便了在现场 对设备的安装调试和对网络的维护管理。 本课题研究的数据接口，是对运用该技术同类产品的丰富和发展，适应了u s b 接口 将全面替代传统接口这一必然趋势，使得这一研究将具备广阔的前景。 关键词；u s b ；c n ；总线接口；低压综合保护器 低压综保系统上位机接 j 技术研究与应用 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs u p e r v i s o r yc o n t r o lc o i n p u t e ri n t e r f a c e t e c h n o l o g yt ol o w v o l t a g ei n t e g r a t e dp r o t e c t o rs y s t e m a b s t r a c t t h e1 0 w - v o l t a g ep o w e re q u i p m e n t sp l a ya ni m p o n a n tp a ni nt l l ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r o l ，e s p e c i a l l yi np e t m c h e m i c a li n d u s t r y e q u i p m e n t sp r o t e c t i o ni sal o n g * t e 肿r e s e a r c h a st h em o s t p r e v a l e n tf i e l d b u s ，i n d u 蛐【y l o c a la r e ac o n t r o ln e t w o r kc a nh a ss o m e a d v a n t a g e s ，s u c ha sc h e 印p r i c e ，s i m p l ep r o t o c o l ，a n dr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n ，s o i ti s w i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r yc o n t r o ln e l d u s bt e c h n o l o g yi st h em o s tp o p u l a re x t e m a l c o m p u t e ri n t e r f a c ea tp r e s e m i th a st h ea d v a i l t a g e so fp n p ，h o ti n s e r t i n ga n dp u l l i n go u ta n d s oo n t a k i n ga d v a n t a g co f b o t ho ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n du s i n gs o f t 、v a r eo p t i m i z a t i o na l l d h a r d w a r ed e s i g l l 、v i 】1d e v c l o pab n do f d a t ai n t e r f a c ew 1 1 i c hh a sc h a r a c t e r so fh i g h - s p e e d ， n e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c ea n dw i l lg r c a t l yi m p r o v et h ea p p l i c a t i o ne n v i m i l i r i e n to fc a n t h et h e s i sd e s c r i b e st h ep r o c e s so fi m e l l i g e n td a t ai n t e r f a c e si nd e t a i lf b mb o t l it l e h a r d w a r ea n ds o r w a t ea s p e c t s ，a n di n t r o d u c e sm o d b u sp r o t o c o li n t ot h cs y s t e mt of i l t e rt h e d a t at r a n s m i s s i o n ，a n de n h a n c et i l ei n t e g d t ya n da c c u r a c yo fd a t a 饥m s m i s s i o n u s i n gt h e d d kd e v e l o p m e n tt o o l sp r o v i d e db ym i c r o s o f cc o m p a n yt od e s i g nt h eu s be q u i p m e n t s w d mm o d e l d r i v e np r o g r 踟t h ew o r k m gp r i n c i p l eo ft l l ed e v i c eh a sb c e ni n 扛o d u c e d t h e s t r u c t i l r e so ft h ew d md r i v e ra i l dt i l ep r o 掣锄c o d ee x a n l p l eh a v eb e e ni l l u s 廿a t e d f i n a l l y d e s i g n a t i o no ft h em o n i t o r i i 培s o 抒i r es y s t e mf o rc o n t r o ls y s t e mo ft d t 2 0 0 0p r o t e c t i o n u n i t ss a v e sa n dd i s p l a y sd a _ t a ，c h c c k st l l eo p e r a t j o n a lp a r 帅e t e r s ，w h i c hd e c r e a s e st 1 1 ec o s t 柚d d e v e l o p i n gd i 币c u l t y ，r e d u c e st l l es y s t e mr e s o u r c e so fc o m p u t e r ，e n l a r g e st | l ea p p l i e df i e l d a n df a c i l “a t e st h ei n s t a i l a t i o na 1 1 dd e b u go f e q u i p m e n ti nt h ei n d u s t “a ls c e n ea n dm a n a g e m e n t o fn e t w o r k t h er e s e a r c ho fd a t ai i n e r f a c ei nt h i s t o p i cd e v e l o p sa n de n r i c h e st h es 锄ek i n d t e c h n 0 1 0 9 yp r o d u c t s i ti s 锄i n c v i t a b l et r e n dt h a tm et r a d i t j o n a l i n t e 如c ew i l lb e 如l l y r e p l a c e db yu s bi n t e r 胁e ，w h i c hm a k e s t l l i ss t u d yb m a dp r o s p e c t ， k e yw o r d s ：u s b ；c a n ；f i d d b u si n t e r f a c e ；l o w - v o l t a y ei n t e g r a t e dp m t e c t o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：釜匕堡i 型日期：丝：i 大连理_ t 大学硕士础f 究生学伉论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 五年月丑r 大连理丁大学硕士研究生学位论文 1 绪论 近几年来，我国经济迅速发展，综合国力大幅提高，在国际中己成为最具吸引力的 投资地区。经济发展促进对工业信息化的需求更加迫切，企业在加快新产品投放市场速 度、改善质量、降低成本以及完善服务体系的同时，必须加快工业信息化建设。运用控 制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术的工业控制自动化技术对工业生产过程实现 检测、控制、优化、调度、管理和决策，对企业生产过程有明显地提升作用。随着信息 技术急速向工业自动化领域全面渗透，在企业的生产、管理和经营过程中，通过信息基 础设施，在集成平台上，实现信息的采集、传输、处理以及综合利用。大力发展工业自 动化是加快传统产业改造提升、提高企业整体素质、提高国家综合国力、调整工业结构、 迅速搞活大中型企业的有效途径和手段。 1 1 我国工业自动化的发展趋势 从工业自动化诞生到本世纪7 0 年代，发展和应用于工业的都属于低成本自动化范 畴。从7 0 年代以后，市场上开始出现了适合工业自动化的控制计算机产品，以后随着 电子技术、控制理论、信息技术、网络技术的高速发展，这些技术不断应用于工业自动 化领域，使得这一领域得到了迅速发展。工业控制自动化主要包含3 个层次，从下往上 依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。 由于5 c 技术( c o m p u t e r 计算机技术、c o n t r 0 1 自动控制技术、c o 咖u n i c a t i o n 通信 技术、c r t 显示技术、c h a n g e 转换技术) 的迅速发展“3 ，过程控制系统将由d c s 发展到 f c s ( f i e l d b u sc o n t r 0 1s y s t e m ) 。f c s 可以将p i d 控制彻底分散到现场设备中。基于 现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全开放和交互操作的新一代生产过程自动化系 统，它将墩代现场一埘一的模拟信号线，给传统的。i ：业自动化控制系统体系结构带来革 命性的变化。有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到 了迅速发展。然而在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有 线局域网无法充分发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术 的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。 1 2 我国石化行业控制自动化的现状与发展 我国石化行业自f 生产规模较大，产品要求较严格等方面原因，工业控制自动化水 平一直在因内工业领域处于比较领先的地位。石化自动化经过5 0 年的发展，通过技术 引进、消化吸收和小断创新，自动化水平显著提高。 在自动化装备、技术、功能、规 低压综保系统上位机接口技术研究与应川 模等方而都有了很大提高：测量和控制装置不断更新升级，正在运行的数千套d c s 、p l c ( 可编程控制器) 和i p c ( 工业个人计算机) 系统已成为大中型石油和化工企业及小型 骨干化r t 企业的主要控制手段。大中型石油和化工企业主要生产过程已在不同水平上实 现自动化控制，并取得显著经济效益；小型骨干化工企业主要产品的主流程也已具有比 较成熟的控制系统和低成本自动化成套技术，实现了生产信息在车间集成。常规仪表性 能大大提高，已成为石油和化工企业生产过程的主要检测手段，电子仪表、数字仪表、 智能变送器与执行器的使用量逐渐增加。现场总线控制系统使用取得进展，近年来已成 为石油和化工自动化领域发展的热点之一。 虽然石化行业自动化水平已取得长足进展，但与发达国家相比，仍然存在着一定差 距。些长期未解决的问题，造成企业自动化总体进程不快。化工行业企业规模大小不 一，既有像中石化、中石油这样的超大型国际化企业，又有几十个人的小型化工厂，信 息化发展并不平衡。企业自动化发展水平不平衡，不同规模企业的自动化水平相差较大。 而有些行业特别是染料、农药行业自动化基础较筹，大量小型化工企业及部分断续生产 过程企业自动化水平仍很低。在自动化技术上，未能形成工程化、商品化、标准化、产 业化，不利于成果推广和转化。即使有些智能化的仪表、控制器应用于现场，也因为技 术标准的不统一，信息仍不能共享，“信息孤岛”问题仍然存在。 目前，石化行业正在积极进行信息化建设，自动化是其重要的组成部分。由于行业 的特点，丁业现场有大量的生产设备，如何运用现代化的控制理论、信息技术对这些设 备进行信息共享、智能控制，这已经成为石化行业进行自动化发展的必由之路。这对保 证生产安全、提高产品质量、降低整体综合能耗超重人作用。 1 3 低压综保系统在石化行业中的应用 石化行业有大量的低压动力现场设备，些现场二产设备发生故障不能及时被发现， 影响了牛产，并且造成了一些安全隐患。以前，工厂最常用的办法就是每天多次派工人 到现场对牛产设备的运行情况进行检查，以保证设备的正常运行。其结果是费时费工， 还不能及时反映真实情况，也不能解决实际问题。低压动力设备中绝大部分都是三相交 流电动机，交流电动机作为动力单元，是所有动力设备的主力军，但电动机本身并不具 备自我保护功能。因此电动机在运行过程中，由于电川电压的波动、负载变化的无规律 性以及短路缺相等一些故障和异常运行情况，将严重损坏电动机的正常使用，造成工厂 停产甚至威胁操作人员的人身安全。根据中7 i 油干中杠化有关部门统计，我国每年烧毁 的电动机数量达2 0 万台次，总容量约4 0 0 0 力：r 瓦、直接损失1 6 亿元、间接损失高达 百亿元”j 。 人连理工大学硕十研究生学位论文 对电动机的保护是长期的研究课题。随着微电子技术、控制技术、网络技术和信息 技术的发展，电动机在经历了热继电器保护、常规电子式保护阶段后，进入了单片机作 为控制器，实现电机的智能化综合保护时期。综合保护器产品的问世，为电动机的保护 起到了良好地推动作用。 低压综合保护器采用现代化技术和手段，对电动机的运行参数( 如实时电流，电压， 功率等) 实施自动化监测和控制管理，同时运用一定的网络技术实现现场设备和控制室 之间的数据共享。这些产品的应用有效降低了石化行业的运行成本，提高了平均生产效 率，保证设备安全和产品质量，从而带来可观的经济利益和潜在的社会效益。 1 4 基于t d t 2 0 0 0 控制系统运行特点分析 低压综合保护器组成的控制系统，充分利用了网络技术和信息技术，产品设计时都 提供了对外的总线接口。这些产品在满足对电动机保护的同时，都可以方便实现设备间 组网，在网内进行数据传输，并通过一定的上位机接口设备实现控制室与远程现场设备 间数据共享。由它们组成的典型控制系统网络如图1 1 所示。 血埕私什一 现场总线 l 低压综合保护器低压综合保护器低压综合保护器i ： 设备设备 设备 图1 1 基于综合保护器的控制系统结构图 f i g1 1s t n l c t u r eo f t h ec o i l 仃o ls y s t e mb a s eo nj n t e g r a t e dp r o t e c t o r 在众多产品中，天津东泰科技有限公司t d t 2 0 0 0 低压综合保护器是应用较广泛的一 种。t d t 2 0 0 0 具有一定的智能性，它可以对现场设备进行信号采集，经过分析后，对现 场设备执行一些相应动作，起到保护现场设备的作用。并通过先进的c a n 现场总线技术 卜传数据，很好地实现现场设备与控制室的数据共享。 系统整体一作过程是这样的：低压综合保护器在现场对设备进行数据采集和分析处 理，并将采集的数据发送到c a n 总线上，然后通过c a n 总线与上位机的数据接口设备， 上传到控制室监控p c 机，p c 机监控软件需要对上传的数据首先进行完整性的判断，如 低压综保系统上位机接口技术研究与应用 果不完整则需要等待，上位机监控软件要给上传的数据开辟两个缓冲区：一个缓冲区存 放完整的数据，一个缓冲区存放尚不完整的数据。上传的数据经过用户开发的应用软件 转换成组态王能够接收的数据形式，移交给组态王，组态软件将其保存、显示或者其它 相应处理。组态王软件是一个工控软件，由于其对通用性的考虑，所以集成了很多功能。 实际上，并不单单t d t 2 0 0 0 综合保护器组成的控制系统是这样工作的，其它的产品也是 类似的过程，只是使用的总线协议不同，采用的与上位杌数据接口设备不同，上位机运 行的监控软件不同而已。 要构成完整的综合保护器控制系统必须具备四个关键部分：数据采集部分，通信部 分，总线与上位机数据接口部分和上位机监控部分。目前，基于t d t 2 0 0 0 保护器的控制 系统巾，总线与上位机接口部分使用p c i 接口形式的c a n 数据卡，上位机监控部分使用 组态王工业监控软件。 1 5 课题总体方案设计 通过对7 r d t 2 0 0 0 控制系统的使用、现场设备的安装和调试，及用户的意见反馈，发 现其存在一些缺点和不合理的地方。主要表现在以下几点： ( 1 ) 现场安装调试设备不方便。系统的突出问题是，安装设备时很难在现场调试和 检测它的运行状态。现场技术人员对网络的管理和维护也不方便。 ( 2 ) 系统设计不合理，数据量太大。整个系统是对等的网络，所有综合保护器都可 以向监控p c 机发送数据，造成了大量但不必要的数据上传到监控p c 机，给p c 机造成 很大负担，对p c 机资源要求较高，网络中数据的流量也很大，网络负担较重。 ( 3 ) 开发费用太高，难度较大。上位机监控使用组奄王，由于组态王是一款工业监 控组态软件，所以集成了很多的功能和开发方式，给了用户很大的选择余地。但是针对 这控制领域，很多功能都不使用，却消耗了大量的系统资源。虽然相比于国外的组态 软件，组态王便宜不少，但是还是比较昂贵。i 刊时绁态软佴：在数据接收方面有严格的规 定，方式比较单一，这给开发者增添了很大难度。 ( 4 ) e 传的数据准确性不高。原来系统使用的接旧置，使一些不是必要的数据上传 给上位机。 ( 5 ) 系统的实时性处理欠缺。在查询周期内l ：传的需紧急处理的信息，不能及时给 予响应。 1 51 接口方案选择 系统中存在的突出问题是，在安装设备时很难在现场调试和对设备进行运行状态检 测一一要原冈是在工作现场使用的大部分是便携式手提 h 腑，它不支持p c i 接口形式的 大连理工大学硕十研究生学何论文 扩展，而原来系统中使用的c a n 到上位机的接l 就是这种形式的c a n 数据卡，所以首先 要解决的问题就是解决c a n 到上位机的数据接口，然后，才能解决系统中存在的其它问 题。目前主流的接口形式有以下几种： ( 1 ) i e e e1 3 9 4 i e e e1 3 9 4 是个高速、实时串行标准。它支持不经h u b ( 集线器) 的点对点连接， 最多允许6 3 个相同速度的设备连接到同一总线上。其优点在于速度快；对设备支持好； 支持即插即用和热插拔。缺点是：成本高、应用范围窄。这是难以实现对它支持的主要 原因之一。 ( 2 ) r s 一2 3 2 串l j r s 一2 3 2 通信协议公布后，该接口就在微机通信接口中被广泛采用。它适合于数据传 输速率在0 2 0 k h s 范围内的通信。r s 一2 3 2 接口的优点是使用简单；缺点是由于近几年 计算机运行速度的大幅度提高、外设数量的急剧增加和品种的多样化，对主机与外设之 划的总线传输速度、拓扑结构以及连接的方便性提出了更高的要求。传统串行接口逐渐 感到力不从心，难以适应需要。 ( 3 ) i s a 总线 i s a 是计算机发展历程中应用最广泛的总线形式，它是一种8 位或1 6 位异步数据总 线，工作频率为8 m 】l z ，数据传输率在8 位时为1 m b s ，1 6 位时为2 m b s 。由于处理器的 高速度和总线的低速度不同步，造成硬盘、图形卡和其它外设只能通过一个慢速且狭窄 的瓶颈发送和接收数据，使c p u 的高性能受到了严重地影响。i s a 总线的传输速率低， 占用硬件中断资源，不支持即插即用，使得它逐渐被淘汰。“。 f 4 1u s b ( u n iv e r s a l s e r i a lb u s ) 通用串行总线 u s b 通用串行总线是由m i c r o s o f t 、i n t e l 等大p 司共同推出。这是近几年逐步在p c 领域广为应用的新型接口技术。u s b 接口具有传输速度更快，支持热插拔以及连接多个 设备的特点。已经在各类外部设备中广泛的被采用。目前u s b 接口有两种：u s b l 1 和 u s b 2 0 。理论上u s b l 1 的传输速度可以达到1 2 m b p s ，而u s b 2 0 可以达到速度4 8 0 m b p s ， 并且可以向下兼容i j s b l 1 。 u s b 的主要特一l 有：外设安装简单，可实现热插拔；通讯速率高，u s b l 1 全速传送 速率为1 2 m b p s ，与标准串行端口相比，大约快1 0 0 倍；支持多设备连接：提供内置电源。 u s b 是应用在p c 领域的新型接口技术。目前u s b 数据总线己经在各种计算机中得到普及， 并成为计算机的标准外设接口。 通过对上述接fi 的综合分析对比，u s b 技术比较适合系统设计的需要，所以本课题 选择u s b 技术开发c a n 总线与上位机的数据接口。 低压综保系统上位机接口技术研究与应用 15 2 设计目标 选择u s b 技术开发c a n 与上位机的数据接口，似乎显得并没有必要，因为现在市面 上已经有这种产品。比如长沙市远华科技发展有限公司、源动力科技等都生产这种产品。 这些产品的共同特点是：只为数据传输提供通道，不对数据做任何处理，所有的数据处 理工作都交给了卜位机，而且对数据传输提供的缓冲区，最大为2 5 6 字节。如果采用这 些产品应用到本系统，解决了数据接口问题，即解决了现场调试问题，却不能解决系统 存在的其它问题，所以不适合本系统设计的需要。 从对系统的总体设计考虑，没计的接口设备除了具有高速、即插即用的特点外，还 应具有较强的智能性，能够对传输的数据进行智能性处理，即使主机在没有发出相应控 制命令的情况下，也能对网络内紧急情况做应急处理。同时通过硬件和软件优化，减少 上位机的资源开销。所以本课题研究的总体设计目标为： ( 1 ) 丌发c a n 总线与上位机的u s b 数据接口设备，具备高速、即插即用特点，可以 灵活建站，鼹决现场难以调试设备的问题。同时使其具有很强的数据处理智能性，增加 对紧急事件的处理，减少上传到上位机的数据量。 ( 2 ) 对系统数据传输过程进行设计，减少网络中的数据量，增加上传到上位机数据 的正确性、完整性。减轻网络负担，降低卜位机资源丌销。 ( 3 ) 将开发成果运用到t d t 2 0 0 0 综合保护器控制系统中，设计配套上位机监控软件， 取代组态王，降低开发成本。 使用本课题开发的u s b 接口设备组成的综合保护器控制系统如图1 2 所示。 自行编写的监控软件 图1 2 基于综合保护器的控制系统结构图 f i g1 2s t r u 咖r e0 f t t i ec o n t r o ls y s t e mb a s eo ni n t e g 胁e dp r o i e c t o r 大连理上大学硕七础f 究生学位论文 15 3 总体方案设计 综合上述分析，开发总体设计方案如图1 3 所示。主要包括上位机软件和u s b 接l 设备硬件两部分。上位机采用w i n d 0 w s2 0 0 0 操作系统，运用v c + + 6 0 和叻k 开发应用 软件和驱动程序。 图1 _ 3 系统结构模型 f j g1 3m o d eo f s y s t e ms t r u c t u r e 接口设备中单片机选择a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 。它是种低损耗、高性能、c m o s 八 位微处理器。当然，还有其它的选择，例如d s p 、a r m 等，但是这些单片机价钱都比较 高，实现功能难度较大。而a t 8 9 c 5 2 能够胜任系统的功能要求，技术成熟，可以方便的 获得样例开发代码，开发周期较短。 u s b 控制器有三种芯片选择方案：一种是选择设计成标准u s b 控制器的低层芯片： 种是选择具有u s b 通信功能的单片机；还有一种是连接到一般微处理器的接口芯片。 本设计选择的是需要外接微处理器的u s b 控制芯片一u s b n 9 6 0 4 。这款芯片对外提供数据 总线，芯片使用灵活性较大，对其访问就像访问片外r 删一样简单，支持u s 8 1 1 协议， 能够完全达到课题设计的要求。 c a n 总线端选用独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 ，这款芯片一般用于移动目标和一般的 工业环境中的局域网控制。同时选用配套的驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 ，增大通信距离，提高系 统的瞬川抗l 扰能力。 低压综保系统卜位机接口技术研究与席用 1 6 课题研究的内容和开发步骤 1 61 课题研究的内容 课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 设计u s b 接口设备。提供通畅的数据传输通道，并经过硬件及软件优化设计， 使其具有较强的智能性。它通过u s b 接口与上位机p c 连接，通过c a n 接口与现场总线 网络相连。这样从p c 端看，它是一个u s b 设备，而从c a n 总线端看，则是一个超级智 能节点。 ( 2 ) 开发配套的u s b 设备固件程序。完成主机对设备枚举过程的标准描述符请求， 实现u s b l 1 协议，在此基础上引进开放的m o d b l j s 作为数据传输的应用层协议，在固件 中刈数据进行智能化处理，使其对网络上传到上位机的数据具有过滤作用。减少上传到 上何机的数据量，降低上位机资源开销。 ( 3 ) 编写u s b 设备驱动程序。为应用程序能够顺利访问硬件设备提供必要保证。 ( 4 ) 在系统成功识别u s b 设备的基础上，设计应用程序，能够方便访问u s b 硬件设 备，对设备的数据读写做到应用自如。 ( 5 ) 将开发的硬件和软件平台，应用到r d l 2 0 0 0 综合保护器控制系统中，并根据系 统的需要，设计监控软件必要的程序处理模块，取代组态王，降低开发成本。 1 6 2 开发步骤 ( 1 ) 研究u s b n 9 6 0 4 和s j a l o o o 及8 2 c 2 5 0 芯片，确定硬件电路方案，设计电路原理 图和p c b 图，制作硬件实物，为系统整体实现提供0 s b 硬件设备。 ( 2 ) 使用k e i lc 5 1 编写u s b 设备固件程序，并将m o d b u s 协议和c a n 协议进行无缝 连接，为接l j 两端提供数据交换功能。 ( 3 ) 熟悉掌握w i n d o w s2 0 0 0 系统体系f 的w i ) m 模型u s b 驱动程序的分层结构，使用 d d k 工具编写u s b 设备驱动程序。 ( 4 ) 使用v c + + 6 0 开发上位机应用程序，并针对，i d t 2 0 0 0 保护器开发系统上位机监 控软件，实现系统的控制功能。 以下各章是对开发步骤的详细展开。 大连理工大学硕士研究尘学位论文 2 接口硬件设备设计 2 1 整体硬件描述 系统硬件丰要由三大部分组成：与上位机u s b 接口相连的u s b 控制部分；与c a n 总 线相连的c a n 控制及驱动部分；提供数据缓冲区的w s 6 2 2 5 6 ( 选择这款r a m 芯片是根据 系统设计，能满足数据传输缓冲区需求的) 。u s b 控制芯片u s b n 9 6 0 4 用于实现u s b 信号 与并行信号的转换，c a n 控制器s j a l o o o 实现与c a n 总线间的数据通信，总线驱动器使 用p c a 8 2 c 2 5 0 。系统的整体工作由a t 8 9 c 5 2 进行控制和协调，实现通信的功能。硬件整 体结构框图如图2 1 所示，其中涉及到的协议、芯片内容及硬件电路实现细节，在后续 小节进行详细介绍。 2 2u s b 接口设计 图2 1 硬件结构框图 f i g2 1s 仃u c t u r ed i a g r a mo f h a r d w a r e 2 2 1u s b 总线概述 u s b 是英文l n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”“1 。它是 一种应用在p c 领域的新型接口技术。它可以解决传统的计算机外设接口不通用以及有 限的接l 】数日无法满足多外设连接的问题。一个u s b 设备要i f 常工作，必须满足”1 ： 支持吣b 协议； - 可以对配置、复位等标准的u s b 操作作出响应； 具有标准的描述消息。 低压综保系统上1 讧机接u 技术形f 究与麻用 u s b 是一种轮询总线，主控制器负责初始化u s b 系统“1 。总线事件包括三个数据包， 首先，主控制器发送“令牌包”，“令牌包”描述了当前事件的类型和数据传输的方向， u s b 外设的地址，端点号等信息；然后，被寻址的u s b 外设通过译码令牌包的地址域选 中自己”1 。在一个给定的事件中，数据传输方向是由令牌包确定的，可以从主控制器到 外设，或者从外设到主控制器。数据发送端发送数据包，或发送表示暂时没有要发送的 信息。最后，数据接收端反馈一个握手信号，表示本次传输是否成功。 u s b 数据传输模型用到“管道”的概念。管道指在主机与设备之间建立起来的数据 收发的连接。在u s b 系统中有两种类型的管道：流管道和消息管道。流管道中的数据内 容不具有u s b 要求的结构。数据从流管道一端流进的顺序与它们从流管道另一端流出时 的顺序是一样的，流管道中的信息流总是单方向的。流管道支持同步传输、中断传输和 批量传输。消息管道与端点的关系同流管道小同，它的数据格式由u s b 协议规定。消息 管道仅仅支持控制传输“3 。外设一上电，消息管道即建立起来，它作为缺省的控制管道， 给主机访问外设的状态、配置外设提供了一条路径。主机完成对外设的配置后，各流管 道爿建立起来川。 u s b 协议包含四种基本的数据传输类型，控制传输、批量传输、中断传输、同步传 输。应用时可以根据系统的需要，选择具体的数据传输类型，但是在系统中必须包含控 制传输类型，它是系统和设备初始工作必须的数据流模型。 u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心，每条线 段是点点连接。u s b 采用四线制电缆，包含了d + 、d 一及v 。，g n d 。u s b 总线的电气特性 主要是对信号的发送及电压分布情况的描述，它的信号传输是靠传输线上的两根数据线 d + 和d 一的k 态和j 态的不断变化来传输的。这罩重点需要指出的是u s b 总线可以对设备 提供一定的供电。一个总线驱动型设备可以从根集线器或一个自供电的集线器那里最大 得到5 0 0 m a 的电流。总线驱动型设备的定义是发备直接从u s b 总线上得到电流，那种靠 设备自己供电的设备称为自供电设备。在u s b 设备第次连接上u s b 总线时，它所请求 的电流量还没有得到h o s t 保证时，这个设备从u s b 总线上得到的最大电流不能高于 1 0 0 i i l a 。 2 2 2u s b 总线技术优点 u s b 接口之所以得到如此快速地推、和心用，主要是因为它具有以下优点： ( 1 ) 易于使用 u s b 非常通用，很多种外设都可以使用它，不需要为每个外设配备不同的接口和协 议”。当u s b 外设连接到一个正在运行的系统时，主计算机设备检测该外设并且通过加 大连理工大学硕士研究生学位论文 载年日关的驱动程序对该设备进行配置“。当u s b 设备拔下时，系统能检测到并卸载相应 的驱动程序。它具备连接单一化、软件自动“侦测”以及热插拔的功能“。节省硬件资 源，u s b 外设只通过两根电缆线与系统相连，不占用实际的物理地址空间和i r q 。不再 需要打开机箱，只须通过两根简易电缆就可以连接u s b 端口和外设。实现外设的简单快 速连接，达到方便用户，降低成本，扩展p c 连接外设范围的目的“。 f 2 ) 数据传输快速可靠 u s b l 1 协议规范允许一个全速u s b 外设以1 2 m b p s 的速度进行通信，实际传输速度 要比这个数值低一些，因为总线除了传输数据外，还必须携带状态、控制和错误检测信 号，当只有个设备通信时，理论上最大传输速度可达9 6 m b p s 。 u s b l 1 协议也支持1 5 m b p s 的低速传输。低速外设通常很便宜且传输电缆不需要屏 蔽。在u s b 2 o 版的协议规范中允许外设以d 8 0 m b p s 的高速进行数据传输，这非常适合 于那些需要快速传递大容量数据的外设。 u s b 数据传输的可靠性来自于硬件设计和传输协议两方面。u s b 控制器和电缆的硬件 规范可以消除大多数可能引起数据错误的噪声。此外，u s b 协议使用了错误检测功能， 在检测到错误的情况下通知发送者，并重新发送数据。检测、通知和重新发送都是由硬 件自动完成，不需要任何程序。 f 3 1 低成本和低功耗 u s b 接口的组件和电缆并不贵，带有u s b 接口的设备与带有相同功能的老接口的设 备费用相比是相同或更少。对于低速设备来说，成本会更低。当连续3 m s 没有总线活动 时，u s b 总线会检测到并自动关闭它的电源，并能够在需要的时候开启。这个特征具有 降低电源消耗从而带来保护环境的好处。 ( 4 ) 协议灵活 u s b 提供了四种数据传输形式一一控制、批量、中断、等时传输。这使得u s b 技术 适合各类型的外设。其中包括大块和小块数据交换传输类型；有和没有时间限制的传输 类型；对不需延迟的数据，u s b 可以保证传输的速率和传输所需要的最长时间。 ( 5 ) 开发周期短 u s b 技术已经得到了w i n d o w s9 8 或以上多种流行操作系统的支持，这些操作系统内 部自带u s b 驱动程序( 包括总线驱动程序和主机控制器驱动程序) ，因此，开发者在设 计程序时，只须编写与应用程序通信的设备驱动程序，而无须再开发u s b 设备底层的驱 动程序，并且，一些控制器芯片厂商所提供的驱动，开发者可以直接拿来或稍作修改就 可以使用。另外，外设负责响应请求来发送和接收配置数据，也负责在被请求时读取或 低压综保系统上位机接口技术研究与麻片j 写入其它数据。在一些芯片中，一些功能足以微代码的形式固化在硬件上的，不需要编 程。所有这些都给开发人员带来了极大的方便，从而缩短了产品的研发周期。 2 23u s b n 9 6 0 4 芯片介绍 ( 1 ) u s b n 9 6 0 4 芯片概述“ n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 4 是一个集成的u s b 节电控制器。它是一 款性价比很高的u s b 器件，它通常用在微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速 通用接口。该器件采用模块化的方法实现一个u s b 接口，使现存的体系结构在固件投资 减到最小。它还支持本地的d m a 传输。提供了三种与外界控制器的接口，这种实现u s b 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制器。 这种灵活性节省了开发的时间，可以用最快捷的方法实现最经济的u s b 外设解决方案。 u s b n 9 6 0 4 完全符合u s b l 1 版的规范，同时兼容u s b l 0 版协议。 u s b n 9 6 0 4 接口芯片的主要特点有以卜儿个方面： 高性能的u s b 接口器件，集成了s i e 、f i f o 存储器、收发器和时钟发生器。 符合大多数器件的分类规格，有s 0 2 8 和c s p 2 8 封装。 提供了数据传输模式的硬件引脚，可以方便设计与c p u 的数据传输模式。 提供了控制端点0 ，3 个输入端点和3 个输出端点共7 个端点，有5 7 个寄存器可 以寻址，方便软件的设计。 芯片提供存取区域总线的3 种方式：非多路复用并行模式 ( n o n m u l t i p l e x e d p a r a l l e l ) ；多路复用并行模式( m u l t i p l e x e dp a r a l l e l ) ；同步 串行( m i c r o w j r es y n c h r o n o u ss e r i a l ) 。这对于选择控制器很有帮助。比如说，如果 选择的处瑚器不支持外部并行数据总线，那么就可以选择同步串行的方式进行数据传 输，等等。 支持本地的d m a 传输方式，支持全速u s b 传输模式；提供电源的工作方式可以5 v 或3 3 v 。 ( 2 ) u s b n 9 6 0 4 内部结构 u s b n 9 6 0 4 逻辑框图如图2 2 所示，主要包括“个部分 传输接收器一一u s b n 9 6 0 4 有一个高速传输接收器，它由3 个主要的功能模块组 成：差分接收器、具有芯片电压参考的单端接收器和具有芯片电流的传输器。在每条数 据线上都有个单端接收器。除了差分作用之外还用于检测切换时的绝对电压。在数 据线d + 上应该接一个电阻，然后把它接到参考点为3 o 至3 6 伏的电压源上，这样是为 了说明这是一个全速设备。 大连理r 人学硕士研究生学位论文 图2 2u s b n 9 6 0 4 逻辑框图 f i g2 2l 0 百cd i a g 删no f t h eu s b n 9 6 0 4 电压调节器一一电压调节器从设备的5 伏电源上为集成的传输接收器提供了3 3 伏的电压。这个3 3 伏的输出电压可以为1 5 k 的上拉电阻供电。 串行接口引擎( s i e ) 一一u s b 串行接口引擎有物理层接口和介质访问控制层组 成。物理层包括数字时钟恢复电路、数宁滤波器、包结束检测电路及位填充和去填充电 路组成。介质访问层包括包格式、c r c 校验的产生和检测、端点地址检测；对端点控制 器说明的端点通道，给出n a k 、a c k 和s t a l l 响应来提供必要的控制。如果检测到u s b 事件，如复位、挂起和恢复等信号，s i e 负责报告这些事件。 u s b 协议标准说明了位填充和去填充，以确保在数据线之阳j 进行合适的转换，允许 在接收端对信号进行恢复。无论何时遇到一连串的1 ，数据流在过6 个1 之后，自动在 后面加，卜一个0 ，位去填充在逻辑上和这个过程相反。 端点控制一一f i f o 端点信道控制器为u s b 功能端点提供了接口。端点通道提供 了u s b 主机和功能端点之间的路经。u s b n 9 6 0 4 支持最多7 个端点的通道。u s b 功能部件 低压综保系统上位机接口技术研究与应用 是一个设备，它可以在总线上传输和接收信息。功能部件可以有多个配置，每个配置又 定义了组成设备的接口，而每个接口又有一个或多个端点组成。 端点通道控制器包含有每个端点通道的状态和控制信息，对于i n 标志包端点通道负 责从定义的缓冲区向主机传输数据，对于0 u t 标志包，端点通道控制器负责从主机到定 义的缓冲区传输数据。 微控制器接口一一微控制器可以通过8 位并行接口或一位串行接口和u s b n 9 6 0 4 相连。寻址模式可以通过m o d e o 和m o d e l 来选择。各种模式如表2 1 所示。 表2 1u s b n 9 6 0 4j 作模式 t a b2 1w o r km o d j eo f u s b n 9 6 0 4 m o d e om o d