（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的多通道测控仪表的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着仪器仪表工业的快速发展、工业自动化要求的日益提高以及新型器件的不断涌现， 将嵌入式芯片应用到工业控制现场仪表己成为一种必然趋势。新一代的嵌入式芯片不仅处 理速度优于普通的单片机，而且外围电路丰富，可以大大提高自动化仪表的综合性能。 本文在总结目前智能仪表和无纸记录仪特点的基础上结合一些新型器件的应用，针对 工业测控对象复杂化、控制多样化的实际要求，提出了基于a 删的多通道测控仪表的研究 与开发课题。该仪表以a p d l 7 核嵌入式芯片l p c 2 1 3 6 和可编程逻辑器件x c 9 5 1 4 4 为核心设计 了具有8 通道模拟量及8 通道开关量信号输入、4 通道标准电流( 4 2 0 m a ) 及8 通道开关量 输出的测控通道：采用了s d 卡设计了可升级的大容量存储器：以3 2 0 x 2 4 0 点阵l c d 为基 础实现了丰富的图形界面、友善的人机接口：应用r t l 8 0 1 9 a s 芯片实现了以太网数据传输。 通过软件编程实现了组态功能、多通道实时采样、处理、显示、存储记录功能，异常报警 功能r s 2 3 2 r s 4 2 2 通讯接口及以太网远程传输功能，同时较高的仪表配置为实现一些复 杂的控制算法提供了基础。 最后，对课题做了总结并对该样机的今后的工作和产品化给出个人意见。 关键词：多通道型智能仪表 a 蹦可编程逻辑器件大容量存储以太网传输 查塑奎兰堡主堡塞 一 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n df o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n , r a p i dd e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t t e c h n i q u ea n dr e c a l l tm a r k e t i n go fn e wl c s ，i ti si n e v i t a b l ef o re m b e d d e dc h i p sb e i n gu s e di n i n d u s t r i a la u t o m a t i ci n s m m a e n t s t b ep e r f o r m a n c e so fa u t o m a t i ci n s i a - u m e m nb eg r e a t l y p r o m o t e d b y u s i n go f n e w - g e n e r a t i o ne m b e d d e dc h i p s ，j n v i r t u eo f n o t o n l y t h e i rh i g h e r w o r k i n g s p e e db u ta l s ot h e i ra b u n d a n tp e r i p h e r a lf u n c t i o n s i nt h i sp a p e r , f o l l o w i n gab r i e fr e v i e wo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f g e n e r a l - p u r p o s em w l l e c m a l m s t n m a e n t sa n dp a p e r l e s sr e c o r d e r sa n ds o m ea p p l i c a t o n so f n e w c s ，t h ep r o j e c to f d e v e l o p i n g t h em u l t i - c h a n n e l 证瑚1 e c t l i a li n s l n m n tb a s e do na r mi sp r o p o s e d , t om e e tt h ed e m a n di n i n d u s u - i a la u t o m a t i o ne n g i n r i n 吕i nw h i c ht h ep l a n t sa r em o r ec o m p l e xa n dt h er e q u i r e m e n t so f c o n 廿o la r ed i v e r s e t h ci n s l n m l a n tc i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nac c a t r a lp a r tw h i c hc o n s i s t so f a r m 7 - c o r e dl p c 2 1 3 6a n dac p l dx c 9 5 1 “，t oc o n s w u e ts y s t e mc o n f i g u r a t i o no f & - c h a n n e la n a l o gs i g n a la n d8 - c h a n n e l so n o f fs i g n a l si n p u k4e h a r m d ss t a n d a r dc u r r e n ts i g m i ( 4 2 0 m a ) a n d8o n - o f f s i g n a lo u t p u 4a u p g r a d a b l em s fb yu s i n gs dc a r d , a b u n d a n tg u i a n d g e n i a lm a n u a lo p e r a t i n gi n t e r f a c ew i t ht h eh e l po fa3 2 0 + 2 4 0l c dd i s p l a y e r , e t h e m e td a t a e o m m u m c a t i o nb a s e do nr t l 8 叭9 a s t h es o f t w a r ei sv r o g r m m e dt oi m p l e m e n ts y s t e r n 劬c 6 0 n s s u c ha sj , u g i l a l n 把n te n n f i g m - es e t u p ，r e a lt i m es _ j g n a ia c q u i r e m e n t , d a t ap r o c e s s i n ga n d d i s p l a y , d a t as t o r a g e ，a l m o r m t ya l a r m i n g ，r s 2 3 2 r s 4 2 2 c o m m u n i c a t i o na n de t h c r n c t c o m m u n i c a t i o ni t i sp o s s i b l et oa d o p ta d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m so nt h ei n s t r u m e n tp l a t f o r m w i t hh i g h e r “m 6 9 删o n f i n a l l y , t h es u m m a r yo ft h er e s e a r c hs u b j e c ta n ds q m es u g g e s t i o n so nf l u - t h e rw o r k sa r e p r e n t e d ， r a yw o r d s ：m u l t i - c h a n n e li n t e l l i g e n ti n s i n t m e n t r m c p l d m s f e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学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。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部 或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理 结果对生产过程进行控制的重要技术装置。其中包括检测仪表、分析仪表、控制与执行仪表、 记录与通讯仪表等几大类，也有把几个部分功能集成在一个仪表中，它已经是工业控制领域 的基础和核心之一1 ”。 随着工业自动化仪表在工业控制领域应用及普及特别是计算机和网络技术的迅速发 展，数字智能化仪器仪表也进入了快速的发展时期。目前，单纯的由p c 机带领的电子产业 蒸蒸日上的时代已经成为历史，嵌入式系统芯片的出现及快速发展应用使计算机和网络技术 进入了后p c 时代。把嵌入式系统芯片应用到仪器仪表领域让传统仪表、传感器和微处理 器相结合，可以产生功能包含网络接口、大容量存储现场智能仪器仪表和测控单元。目前以 芯片，总线、接口技术作为为仪器仪表的内核嵌入式系统作为技术代表，形成了仪器仪表 行业的发展趋势。通过这些智能仪表的组合产生了工业控制网络。工业控制网络技术是我国 仪器仪表锾域。十五”期间重点扶植发展的关键技术之一，最终目标是形成新型的监、控、 管一体化的工业系统“。 目前，随着工业生产过程的进一步复杂。特别是现在的工业深加工要求的进一步提高。 对生产工艺及生产过程中的情况及结果要求更加精确和同步这就需要对描述被控对象几个 甚至是十几个参数进行同时测量、分析、处理，其目的就是为了准确、及时的获得表征它们 的定量信息，为生产过程的自动化控制提供可靠的依据。传统的智能仪表提供的一般是单点 检测、分析与处理，显然，已经无法满足现代的工业生产要求。多通道智能测控仪表作为工 业控制系统的重要发展方向之一，是工业测量仪表，控制仪表，记录与显示仪表与控制网络 技术，互联网技术等各种技术共同发展的结果，其应用范围十分广阔，具有良好的发展前景。 1 2 智能仪表的特点及发展状况 随着电子技术的不断普及和发展，网络、虚拟和无线连接等高新技术也在各行各业中逐 步得到推广使用。工业系统对于工业仪表要求的越来越高，在率先采用微处理技术的数字化 智能仪器中各种新技术的应用更是走在了技术应用的前列，一些新的智能仪表不断涌现， 发展迅速。 1 2 1 智能仪表的特点 现今新一代的智能仪表全面地综合了传感器技术，测量技术，计算机技术图形显示技 术，存储技术，网络技术，因此真正具各了“智能”功能，它代表了智能仪表的发展方向， 具体特点体现在以下的几个方面： 】智能化：所谓仪表的智能化是指仪表能够记忆被测对象的特征信息并进行自主辨识， 能够实时修正测量误差，自动实施高精度快速测算，能够进行在线的检测与间接测量，实现 复杂的控制能够组成多用户系统方便灵活的改变实用功能。 2 人机接口友善：近年来，l c d 显示器的普及和微处理器向大容量的发展使智能仪表 的人机交换功能得到了显著的提到，传统的l e d 显示很难做到复杂图形界面的显示，且功耗 较大。良好的图形界面( g u i ) 和操作是影响产品成败的重要因素之。 3 存储容量大：随着存储介质的多样化，特别是f l a s h 介质的存储器的价格优势及其 东南大学硕士论文 稳定的存储功能使其在智能仪表中的应用越来越广泛。诸如目前普遍应用于消费型电子产品 中的s d 卡、c f 卡也被广泛地应用到智能仪表中，作为扩展存储容量使用。 4 网络化：信息技术的飞速发展引起了自动化系统结构的变革。一般智能仪表都具 有双向通讯功能，但是这种双向通讯功能离真正意义上的网络通讯还是有距离的，伴随着网 络技术的飞速发展，i n t e r n e t 技术使仪器仪表在实现智能的基础上实现网络化，使现场测 控参数就近登临网络，并具备必要的信息处理能力。 5 多功能化：目前的国内的智能仪表也从以8 1 6 位的m c 【】为微处理器转为以3 2 位的 嵌入式微处理器a j i ) i 或d s p ，这样整体提高了系统的硬件平台，同时外围电路也更加简化。 为设计复杂的智能化测控系统提供了保障，一台配置较高的仪表可以完成以前几台甚至是十 几台仪表的功能，同时可以结合计算机技术、图形显示技术、网络技术设计出功能更加强大、 性价比更高的智能仪表。 。 1 2 2 智能仪表的国内发展状况 从目前的国内市场来看大部分智能仪表主要还是监控单回路的，主要功能还是集中在 监测、显示、报警、存储、控制及工业标准的通讯。随着工业生产对智能仪表的要求的快速 提高，国内也出现了少量的多通道智能仪表，但是主流使用的仍是5 1 内核单片机，其整体 的硬件系统性能受到“先天性”影响，应用领域被限定。目前多通道智能仪表作为产品的主 要还是集中在无纸记录仪类产品，其中比较有代表性的公司有： 上海涌纬自控成套设备有限公司推出的s p l c d _ r 无纸记录仪表；它是一种智能化 的多功能的二次仪表，适合对各种过程参量进行监测、控制、记录与存储。人机操作与观察 界面上都对传统的二次仪表傲了挑战性的改革，以中文菜单引导纽态操作，以丰富的图文数 据显示测量结果和工程涵义，给人以“智能”的感觉。可按3 路被测信号，根据用户设定的 要求完成从信号采集、控制、记录到传送的全过程。 浙江中控自动化仪表有限公司推出的r 4 0 0 0 系列的无纸记录仪表：它最多具有1 2 路 模拟量输入和1 2 路报警输出：信号类型有电压、电流、热电偶和热电阻等；能接隔离型i s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 接口，可实现联网监控；是一种集数显、处理、记录、计算、报警等多种功能。 1 3 本课题的背景、意义及其主要内容 1 3 1 本课题的研究背景及其意义 随着工业自动化要求的不断提高，控制模型复杂化，控制参数多样化，这就需要对描 述被控对象几个甚至是十几个参数进行同时测量、分析、处理其目的就是为了准确、及时 地获得表征它们的定量信息，以便能够精确地控制被控对象。同时随着集成度不断提高，用 户也希望同一台仪表能够完成以前的几台甚至是十几台仪表的功能，这样有利于工业自动化 网络的建立，便于管理和维护，同时有效地降低成本。但是，目前国内市场上的大部分智能 仪表还是集中在单回路控制中，因此多通道智能测控仪表就成为现在研发的一个重点，其市 场远景较好。 随着测控要求提高，工业现场的一些场合需要对测量数据进行记录，以便进行查证、重 显。而传统的智能仪表由于受到存储容量和显示技术的限制，很难具备有效的记录功能和现 场显示、比较、分析、处理的功能。通常是依靠后端的p c 平台来进行存储、查证、分析和 处理。传统的智能仪表显示主要是通过l e d ，但是由于其耗电量大画面单一，只能显示数 字和字母，这些因素限制了智能仪表的人机接口部分，不能充分的显示现场所需要的信息， 并且显示也较为单调。所以目前的智能仪表研发中，采用接口简单，价格低廉，存储稳定的， 2 第一章绪论 容量较大的存储介质；人机接口部分运用l c d 来显示，建立友善、高效、易操作的g u i 成为 一种必然的趋势。 同时，由于仪表功能的不断强大，所处理的数据越来越集中，需要交互的信息越来越多， 特别是工业自动化网络的建立和应用，尤其是对丰富网络信息的传输和处理传统的智能仪 表的通讯方式很难满足要求。这就需要开发以太网通讯方式，但是目前市场上的多通道智能 仪表主要集中在无纸记录仪的开发和研究方面，通讯方式过于单调。同时这也是对8 位单片 机的挑战很难满足要求。随着电子技术的发展以及电子器件价格的大幅度下降，高速的嵌 入式芯片a r m 、d s p 等己越来越多地受到青睐。这些嵌入式芯片不仅处理速度很快，而且具 有流水线功能，片内有丰富的外围电路，这样系统的外围电路大大简化，开发周期也大大缩 短。同时。以i n t e r n e t 为代表的计算机网络迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统 通讯方式的时空和地域的界限i n t e r n e t 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域得到 应用，并在逐步应用到智能仪表领域，因此对智能仪表的以太网通讯研发具有一定的意义。 本课题正是针对以上问题和应用需求分析提出了基于a r m 的多通道测控仪表研究和开 发的课题。按照“变专用为通用”的设计思想改变了传统的。一量一表”的检测方式，可 以将多种被测参数集中进行测量、处理和显示并对其中必要的参数进行控制；在平台的实 现技术上，将现代技术中的信息化、图形化、网络化的概念用运到系统设计中；在仪表的功 能实现上可以根据用户的实际需要提供诸如温度、压力、流量、电压、电流、位移、转 速等各种测试参数，真正实现“多量一表”和。一表多用”的现代检测方式。同时提供了一 个综合仪表控制平台，可以充分发挥智能化的硬软件优势，实现一些复杂的控制算法：大大 降低系统的成本，提高系统测控质量和系统的可靠性；改变了传统仪表显示形式，以汉字化、 图形化显示作为主要的信息输出方式，设计一个易于操作和修改的菜单管理系统，从而为测 控仪表提供友好的人机接口。 同时为了适应控制系统和仪器仪表网络化、i n t e r n e t 化的发展趋势，多通道测控仪表设 计了网络接口。现场总线技术的兴起改变了控制系统的结构使其向着网络化的方向发展， 形成了对人类生产、生活有着重要影响的另一类网络，即控制网络。从工业控制领域来讲 由于现在工厂和生产在地域上越来越分散，要总揽现场控制信息和生产状况或要实现对分 散在各工厂和生产线上的控制网络进行状态监控、远程软件下载及设备的诊断维护只有通过 i n t e r n e t 因此，将控制网络与i n t e r n e t 结合将成为控制领域的一个新方向。运用网络传输 技术实现仅表的远程数据通信，满足现代工业控制的需求。因此综上所述，本课题的选题具 有一定的研究意义和实用价值。 1 3 2 本文的主要内容和结构安排 本文主要的内容是在综合了传统的智能仪表和现在市场上的无纸记录仪特点的基础之 上，将多通道数据采集、处理和存储技术、控制技术、以l c d 为基础的g u i 技术，网络通讯 技术等集于一体，力求在借鉴传统智能仪表和现在市场的无纸记录仪的基础上开发出功能更 加强大，应用范围更广，性价比更高，硬软件配置更高的样机。 本文的结构安排： 第一章主要是论述基于a 跚的多通道测控仪表的研究背景国内的发展现况及研究的意 义，并讲述了本课题研究的主要内容。 第二章主要是讨论仪表系统设计，提出了系统的主要功能和性能指标。介绍了多通道测 控系统的系统结构、配置要求及数据传输的方式。 第三章讨论系统的硬件设计，主要是围绕主处理器l p c 2 1 3 6 和x c 9 5 1 4 4 进行展开的，系 统地阐述了系统各个模块的硬件结构及其外围电路的设计，尤其重点介绍的是以太网遁讯模 3 查里查兰婴主丝壅 块的设计，主要说明了r t l 8 0 1 9 a s 的特点及在本系统中的应用。 第四章讨论的是系统的软件设计。以软件的模块化为基础，分别介绍了各个不同模块的 软件设计流程和整个系统的软件结构。其中重点介绍的是大尺寸l c d 上的图形编写、多级菜 单的高效有序的管理和t c p i p 协议的实现。 第五章讨论了多通道测控仪表的系统调试过程中需要用到的一些工具软件和系统的功 能实现。其中重点介绍了调试系统软硬件中遇到的一些问题及相应的解决方案及系统的几项 典型功能。 第六章主要是本文的结论。主要是对本文工作进行的总结，并对以后的开发设计提出了 一些参考意见。 第二章系统设计 第二章系统设计 仪表的系统设计主要是完成系统的结构设计，其主要任务是分析仪表的功能，拟定总体 设计方案，确定系统的硬件结构和软件实现。同时要按照模块化设计思想把仪表的功能和 经济要求指标，自顶向下地分成硬件和软件的若干模块分别进行设计和调试，然后把它们连 接起来进行总调，最终完成系统的设计 2 1 系统的功能需求分析及性能指标 系统的功能需求是在总结了当今智能仪表组成结构、结合现代智能仪表设计趋势和工 业现场测控仪表的实际需求，同时充分利用目前的一些耨兴技术的基础之上提出的。 2 1 1 智能仪表的总体组成结构 当今工业智能仪表一般主要是由微机系统、测控通道、人机通道、通讯接口和仪表的 软件等部分组成。其总体结构如图2 一l 所示“。 其他仪表或网络 群 嚣 盥 静 操作人员 图2 1 智能仪表总体结构 1 微机系统：它在智能仪表中处于中心地位。在仪表软件的驱动下，微机完成相关的计算 和处理，参与并控制其他各个部分的工作，其它各部分之间的数据信息传送也需要经过 微机系统来完成。 2 测控通道：它是仪表微机与被控对象相互联系的通道。它包括测量通道( 前向通道) 和 控制通道( 后向通道) 测量通道对来自传感器输入信号调理，并通告“d 转换以供微机 读取：控制通道则是通过微机输出的控制命令经过d a 转换位执行机构能够接收的模拟 量或者开关量，完成控制功能。 3 人机通道：它是仪表微机与操作者相互联系的通道。主要是由按键和开关、数字图形 显示器和声光报警器组成。操作者通过该通道完成命令输入、功能选择、过程参数设定 和工作程序编制。 4 通讯接口：它是智能仪表与其他智能仪表、计算机、计算机网络相互联系的通道。通常 采用现场总线标准。 5 仪表软件：它是智能仪表无处不在的灵魂。软件在仪表微机系统硬件电路的“舞台”上， 通过各种指令功能的有序组合，并借助仪表中其他硬件电路的配合，可以实现丰富多彩 的仪表功能。 2 1 2 智能仪表的设计趋势 智能仪表设计的发展趋势有以下几个特点1 1 4 1 硬件功能软件化。随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越 5 东南大学硕士论文 低，已被广泛应用于仪器仪表中，使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能可以通 过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，也可以采用软件 技术很好地加以解决。 2 集成化、模块化。大规模集成电路l s i 技术发展到今天，集成电路的密度越来越高， 体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大，从而大大提高了每个模块进而整个 仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有力的支持，它使得仪器更加 灵活，仪器的硬件组成更加简洁，比如在需要增加某种测试功能时，只需增加少量的模块化 功能硬件，再调用相应的软件来使用此硬件即可。 3 参数整定与修改实时化。随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展，仪器仪 表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而是可以在仪器使用的现场实时置入和动态修改。 4 硬件平台通用化。现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个带共性的基本仪 器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系 统。一台仪器大致可分解为三个部分：数据的采集数据的分析与处理存储、显示或输 出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪 器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用硬件模块组合起 来，通过编制不同的软件来构成任何一种仪器。 2 1 3 系统的功能要求 本课题的多通道测控仪表功能需求是在总结智能仪表已有的功能和目前工业生产实际 需要基础之上提出的，总体目标和功能要求是： ( 1 ) 提高系统配置平台，增强控制能力 在充分实现已有的智能仪表功能之外，为了更好地适应当今的控制技术的发展、控制 对象描述要求的详细化与模型的复杂化的趋势，本系统尽可能地提供需要一个软硬件配置 较高性价比较好的平台，能够完成一些复杂的控制算法。 ( 2 ) 多通道输入功能 可以在一个周期内完成8 路标准模拟量信号、8 路开关量的检测和前端的数据处理。 输入通道是全可切、全隔离的信号，输入的信号种类包括d c v ( o 2 0 m v ，0 5 v ，卜5 v ) ， d c i ( 0 l o m a ，4 2 0 m a ) 熟电偶( s b ，k ，e ，j ，t ) 和热电阻( p t l 0 0 c u 5 0 ) 。测量量程 有0 1 0 2 3 和0 6 5 5 3 5 两档，具体要求可以按照实际工业现场需要组态进行选择。 ( 3 ) 多通道输出功能 输出采用的是可切、全隔离的4 路模拟量输出和8 路开关量输出。其中，为了增加 抗干扰和控制的精确性模拟量采用4 2 0 i a 的标准电流输出。采用电流输出可以有利于 远程传送，开关量输出主要是通过继电器来完成相应的工作。 ( 4 ) 大容量存储功能 多通道测控仪表由于处理数据较多同时能够充当无纸记录仪的作用；因此，系统 需要配置一个大容量存储器，定时保存相应的数据，以供以后的历史查证和分析。 ( 5 ) 记录查证功能 系统对每个通道的采集数据处理完后都要按照要求做相应格式的存储，以便以后的 查证、重现和历史趋势的分析。具有强大的记录追忆功能：单步追忆、自动连续追忆、 按时闻查询追忆、通过移动定位轴来查看数据和曲线。 ( 6 ) 友善的人机接口 请嘶的画面可以集中显示中文菜单，输入通道号，测量技术数值，过程曲线，工程 单位，百分比棒图，输出通道号和类型选择，报警状态，实时数据和曲线显示，历史记 录追忆等。其中快捷方便的中文菜单，提示用户逐级完成参数设定；明确的中文信息， 标识显示数据的工程涵义；丰富的图形画面，提供用户所需的显示的参数组。同时合适 一6 第二章系统设计 的按键，方便用户的各种操作。 ( 7 ) 多样的通讯方式 仪表具有一个r s 一2 3 2 i c s - 4 2 2 通讯接口，所有的通讯接口都有完善的通讯功能，同 时可以通过l s 一2 3 2 外扩m o d e m 、g p r s 、i c 卡、u s b 等模块进行通讯。除了以上通讯接 口外，为了充分地利用i n t e r n e t 上的信息，同时也为了组建工业自动化网络系统的方 便，设计了一个以太网接口，极大的方便实现远端信息交换和远端的监控与维护，以便 真正地实现工业自动化网络化。 2 1 4 系统的性能指标 多通道智能测控仪表性能指标主要是借鉴目前的智能仪表和市场上出现的无纸记录仪 的性能指标的基础上而提出的。该仪表集现代半导体电子技术、计算机技术、以太网通讯技 术、控制技术于一体，它具有对以标准信号给出的工程量进行实时的检测、分析、处理、存 储、报警、通讯、显示、控制输出等功能，其主要的性能指标如表2 一l 。 表2 一l 仪表的主要性能指标 供电电压 2 2 0 v 监测的回路8 路模拟量、8 路开关量 输入信号模式0 - l o v o 5 v i - - 5 v o l o m a 4 - 2 0 m a 报警功能 报警回差：蜂鸣器报警输出 系统的存储容量1 2 8 m 字节以上 采样的时间间隔 1 s 控制输出通道数4 路模拟量、8 路开关量 模拟量输出4 - - 2 0 m a 输出 开关量输出 继电器确定输出 精度0 5 f s 或0 2 f s 小信号切除0 - 2 5 ，5 f s r s 一2 3 2 通讯功能r s - 4 2 2 以太网接口 系统操作以菜单显示：组态配置 时钟误差l s 天 保护方式 设定参数永久保存，记录数据掉电保存 功耗3 0 w 2 2 系统的总体设计方案 2 2 1 系统硬件总体方案 多通道测控仪表作为新兴的一种智能仪表，除具有一般的智能仪表的组成特性，也有 其特点。同时为了用户的接线方便，其机械结构设计参考p l c 的端子接线模式。在保证系统 的集成度基础上，为了提高可靠性，提高系统的升级能力，在硬件设计部分采用了模块化设 计方式，按照各个部分功能和电气特性，将系统划分为主控部分、前端数据采集部分、控制 输出部分和电源部分。各个部分单独制板。各板之间设计了通讯接口和电源接口，各个模块 相对独立。为升级换代提供了方便性。同时合理的m c u 电路，可靠的数据采集电路，存储电 路，多样化的数据传输的通讯方式，完善、方便的人机接口电路，有效的输出控制电路就成 为仪表硬件设计的考虑重点。同时作为控制系统可靠性、抗干扰性、性价比、功耗、安装等 东南大学硕士论文 要素也是需要考虑的。多通道的测控仪表的系统结构图如图2 - 2 所示。 图2 2 系统结构图 1 m c u 微处理器是整个仪表平台的核心，担负着系统的数据采集、处理、分析、存储、通讯、 控制、人机交换等诸多任务，因此选择一款合适的、性价比较高的适应工业测控需求的c p u 是非常必要的。 目前智能仪表的微处理器主要分为8 位、1 6 位、3 2 位的m c u 。其中8 位的单片机由于其低 廉的价格和较强的功能能够满足大部分的低中档的嵌入式测控系统，因此，在市场的所占 有的份额晟大；而1 6 位的单片机在c p u 的架构、性能方面优于8 位的单片机，但是其价格较高， 例如 v r 系列的单片机是a 伽l 公司1 9 9 7 年推出的全新配置精简指令集( r i s c ) 单片机系列。 相比较5 1 系列单片机，它在运算速度、存储器容量、并行i 0 n 、中断源等方面均有较大优 势但其价格相对昂贵，因此没有被广泛地应用：而3 2 位的单片机现在主流的是d s p 和a 脚处 理器，其中d s p 因其强大的计算能力广泛应用于通信、控制、信号分析等领域。但作为一种 专用处理器，通常不能完成一些通用微处理器所完成的工作，也就不能有效地支持各种网络 协议如t c p i p 协议。而a r m 系列单片机是a 跚公司新近推出的3 2 位高性能单片机，是典型的 r i s e 处理器，具有多级指令流水线，具有u a i l t 、w d t 、d m h 等功能模块，其功能完全能满足智 能仪表的开发要求，并随着微电子技术的发展，价格越来越低，是今后智能仪表设计时的主 流处理器。 综上所述结合多通道测控仪表需要实现的功能和性能要求，同时考虑到软件编写的方 便性和硬件设计的简洁性，除了需要功能强大的c p u 和丰富的外设之外选用大小合适的片 内r m 和f l a s h 也是非常重要的。因此选择一款合适的a r m 芯片对本系统的开发是非常重要的。 2 多通道数据采集 多通道智能仪表有8 路标准模拟数据量需要采集，并且8 个通道所采集信号的模式也不 尽相同，加上作为测控仪表对采样的特殊要求，设计快速、可靠、正确的采样电路是仪表能 够高效运转的前提条件。数据采集电路的原理一般是：对电压信号通过分压( 降压) 转换成 弱电信号，经信号调理电路( 信号的滤波、放大) 分别送a d 转换器转换为数字信号。对于 电流信号，只要将电流信号转换为电压，下面的处理方法跟电压信号一样。为了保证数据的 精确性和同步性，系统设计选择a d 转换器的选择不仅要注意采样速率、采样位数、串并 行数据接口等而且要考虑到保持采样的同步。目前智能仪表应用中的a d 转换器主要是 传统的积分型和逐次比较型。多通道测控仪表需要高精度测量而传统的积分型和逐次比较 型a d 实现起来难度较大，且成本很高。近年来兴起的一5a d 转换技术却能以较低的 成本获取极高的分辨率，越来越多的应用到智能仪表中本系统系统也采用一aa d 技术 8 第二章系统设计 的转换器。 由于8 路模拟量，是独立的8 个信号源，通过多路开关进行切换，为了提高系统的精度 和稳定性，需要对系统的前端模拟和系统的数字部分进行隔离。这样可以保证信号源不互相 干扰，从而提高仪表的抗干扰性能。另外系统还有8 路开关量的检测，这部分主要是频率 开关量的计数和检测。一般脉冲量检测包括矩形波、正弦波和三角波等。该部分为了增加抗 干扰和稳定性同样也需要进行隔离。 3 数据存储 由于多通道测控仪表需要具有无纸记录仪的功能，所以大容量存储是其必备条件之一。 对于大容量数据的存储，目前晟好用的是f l a s h 存储器，它是一种可以电擦写，并在掉电后 不丢失数据的存储器，由于其具有不挥发、功耗低、擦写速度快、密度高、体积小、可靠性 高等优点广泛的应用于外部存储器中，但是其占用的引脚较多，硬件设计、读写较为复杂。 同时随着消费领域中的f l a s h 介质的s d 卡、c f 卡等价格的下降，并且具有可插拔性，极大的 方便了以后系统存储容量的升级与更换：接口简单简化硬件设计等特点，可以应用到智能 仪表系统中。 4 系统通讯方式 在自动化测量和控制系统中，智能仪表并不是孤立的，更重要的是要在各台仪表之问不 断地进行各种信息的交换和传输，这种信息的交换和传输是通过仪表的通讯接口进行的，而 随着网络技术的飞速发展，特别是i n t e r n e t 技术的迅猛发展将仪表接入网络构建远程监控 系统，将是智能仪表的重要发展方向之一。 传统的智能仪表通讯方式主要是r 8 2 3 2 4 8 5 ，一般利用r s - 2 3 2 通过外置的m o d e m 进行远 程数据传输，其结构示意图如图2 3 ( a ) 所示。而h t 坝仪表除了具有一般的仪表的特点之 外就是有一个独立的网络接口与i n t c t n c t 连接，结构示意图如图2 3 ( b 1 所示。 多通道测控仪表在通讯方式上除了保留传统智能仪表的通讯方式外增加了一个l a n 接 口，直接将仪表接入i n t e r n e t 。由于仪表通过硬件直接接入i n t e r n e t ，因此必须在原有软件 系统中增加一个支持t c p i p 协议的通信任务。 ( a ) ( b ) 图2 - 3 传统智能仪表的以太网连接方式，具有网络接口的智能仪表以太网连接方式 5 人机接口 为使智能仪表具有友善的人机接口，需要给系统配置显示装置，如l e d 和l c d 显示器， 以及必要的输入装置，如按键，使用户可以对处理器发出命令或输入必要的控制参数等。 多通道智能仪表的人机接口模块，由显示子模块和手操按键子模块两部分构成。显示 子模块是界面的体现者，多通道智能仪表监控的是多路数据，需要实时显示每路数据的工程 量、统计量以及被检测量的变化趋势、历史曲线、运行状态及异常报警以及各个具体通道的 组态和参致等，因此显示菜单是将各个通道的运行情况和参数很直观地呈现在操作人员的面 前。而按键模块是人机界面直接操纵者，它不但控制着显示态和设置态的切换，而且还可根 据用户要求，通过按键实现对整个系统的功能进行配置，c p u 按照系统的配置要求执行信号 采集、补偿计算、功能转换、存储、显示、控制等功能。 9 东南大学硕士论文 由于多通道测控仪表需要显示的信息较多，同时需要画一些较为复杂的曲线，所以就必 须选用较大的l c d 进行显示。同时仪表所需按键不多可以采用直读式按键。为了防止按 键干扰，在键盘输入口应有抗干扰器件或者有相应的软件措施。为了舫止误操作和人为破 坏，仪表设置了操作密码，即对涉及测量、控制和系统参数的设置修改都必须经过密码验证。 6 输出控制 多通道测控仪表的输出部分主要是4 路模拟量输出和8 路开关量输出。其中模拟量的输出 在工业控制中主要是转换为对应的o 5 v 或者4 2 0 m a 输出。在工业现场通常用一个仪表放 大器来完成信号的调理进行长线传输时往往会产生以下问题： ( 1 ) 由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰 ( 2 ) 传输线的分布电阻会产生电压降 ( 3 ) 在现场如何提供仪表放大器的工作电压 为了解决上述问题并避开相关噪声的影响本课题采用了4 2 0 m a 电流作为输出控制信 号这是因为电流对噪声并不敏感。4 2 0 m a 的电流环便是用4 m a 表示零信号，用2 0 m a 表 示信号的满刻度而将低于4 m a 和高于2 0 m a 的信号用作各种故障的报警。但是目前智能仪 表上所用的电流输出，主要还是通过电流变送器完成的。这样就需要一个d a 和一个电流变 送器，成本较高；目前市场上也有少量的电流型d a 转换芯片但价格较高。考虑到成本问 题和实际的需求，系统采用了电流型d a 转换芯片和p w m 输出控制相结合的方式来实现4 路电流控制输出方式。 2 2 2 系统软件总体方案 系统的软件主要是在系统硬件的基础上实现系统的功能。按照系统的数据流程可以把系 统的数据的状态划分为：多通道数据采样、处理、控制输出、打包，送入数据队列等待存储、 显示、通信等。根据多通道测控仪表的功能需求、硬件资源以及测量的工作过程的数据流向， 可以把系统的软件模块结构和层次关系划分为如图2 - 4 所示。系统的初始化主要是完成系统 器件的初始化和系统默认参数的设置，系统的主程序是以系统时钟和系统的定时时钟为“节 拍”的，其中系统时钟主要是控制系统的采样、l c d 的刷新、数据的处理、通讯、按键的处 理等，而定时时钟主要是提供按键的定时检测和以太网的通讯的冲突检测 图2 - 4 系统的软件模块 - 1 0 兰三兰墨竺竺堡堡堡生兰塞翌 第三章系统的硬件设计与实现 3 1 系统的硬件结构 多通道测控仪表作为智能仪表的一种，具有一般智能仪表硬件的模块但是同时作为一种 新型智能仪表其测控任务较多，需要完成数据的分析、处理、打包、送显、存储和通讯。因 此。设计时需要考虑m c u 电路、数据采集电路、存储电路、输出控制电路、实时时钟电路、 掉电保护、监控电路、以太网硬件电路、多种工业数据传输的通信方式以及人机接口电路等 方面的设计。系统的硬件模块结构如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件结构图 3 2m c u 模块设计 3 2 1m c u 的选型 a r m3 2 位体系结构目前被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微控制器，所有a r m 微 控制器共享这一体系结构。这确保了当我们以后需要使用功能更强大的a r m 微控制器来满足 更加全面的客户需求的时候，在应用软件开发上可以有更多的共享资源和强大的开发工具。 删微控制器凭借其体积小、功耗低、成本低、性能高的优点已经迅速地抢占了市场。 从供货市场分析，目前国内市场上主要是p h i l i p s 、i n t e l 、a t m e l 、s a m s u n g 等公司的 a 脚产品比较流行。它们特点各异关键是他们各自的应用领域也不太一样。i n t e l 公司的 s t r o n g a 脚微控制器价格昂贵开发成本高昂，其产品主要用于便携式无线多媒体器件。 s u m s u n g 公司带a 删核的产品更多应用于p d a 、6 p s 、游戏、智能网络设备等消费电子方面。 而a r i e l 相关资料较少，目前国内用的并不是非常多，开发过程中可参考资料较少。p h i l i p s 作为全球领先的半导体供应商，其半导体产品在工业领域应用广泛，其工业级微控制器不仅 性能优异更具有价格便宜的特点性价比很高。 l p c 2 1 3 x 系列微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a 蹦7 t d m i - s c p u ，并带有3 2 k b 、6 4 k b 、1 2 8 k b 、2 5 6 k b 和5 1 2 k b 嵌入的高速f 1 8 s h 存储器。1 2 8 位宽度的 存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格 控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低3 0 ，而性能的损失却很小。较小的封 东南大学硕士论文 装和很低的功耗使l p c 2 1 3 l 2 1 3 2 2 1 3 4 2 1 3 6 2 1 3 8 特别适用于访问控制和p o s 机等小型应用 中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8 1 6 3 2 k b 的片内s r a m ，它们也非常适舍于通信 网关、协议转换器、软件m o d e m 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和 强大的处理功能。多个3 2 位定时器、1 个或2 个1 0 位8 路的a d c 、i 0 位d a c 、p w m 通道、 4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医 疗系统。其特点是： 1 6 3 2 位a 蹦7 t d w i - s 核，超小l q f p 6 4 封装 8 1 6 3 2 k b 的片内静态r a m 和3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器 1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达6 0 删z 工作频率 一通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p i a p ) 单个f l a s h 扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。2 5 6 字节行编程时间为l m s e m b e d d e d l c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l w o n i t o r 软件对代码进行实时调 试和高速跟踪 1 个( l p c 2 1 3 1 3 2 ) 或2 个( l p c 2 1 3 4 3 6 3 8 ) 8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模 拟输入；每个通道的转换时间低至2 4 4 u s 1 个l o 位的d 转换器，可产生不同的模拟输出。( l p c 2 1 3 2 3 4 3 6 3 8 ) 一2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p 删单元( 6 路输