（电工理论与新技术专业论文）适用于高校教学实验环境的ipc工业测控模拟系统的研究和设计.pdf

英文摘要 a b s t r a c t t of o s t e rh i 曲d i a t h e s i st a l e n t e dp e o p l e 谢t hi n n o v a t i v ea n dp r a c t i c a la b i l i t yi sa b a s i cg o a lo fu n i v e r s i t i e s e x p e r i m e n tt e a c h i n gi nu n i v e r s i t i e si s k e e p i n gc l o s et o e n g i n e e r i n gs t e pb ys t e pa n do c c u p i e sam o r ea n dm o r ci m p o r t a n tp o s i t i o ni nu n i v e r s i t y t e a c h i n gs y s t e m f i r s to fa l l ，t h ea c t u a l i t ya n dd i s a d v a n t a g e so f e x p e r i m e n ts y s t e mi na u t o m a t i o no f u n i v e r s i t ya r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，a ni n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e mt h a ti sg e a r e dt ot h ee x p e r i m e n tt e a c h i n gc i r c u m s t a n c eo f u n i v e r s i t i e sa n dc a ab eu s e df o rr e f e r e n c eb yo t h e ru n i v e r s i t i e si sp o i m c do u t f o l l o w i n gt h ef i r s tp a r t , t h es y s t e mc o l l e c t i v i t yd e s i g n , s l a v e rs y s t e md e s i g n , h o s t s y s t e md e s i g na n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g nf o rt h eh o s ta n ds l a v e ra r ed e s c r i b e d t h es y s t e mi sm a d eu p b yt h r e ep a r t s ：s l a v e rm a c h i n e s ，h o s tm a c h i n ea n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h et w o - s t a g ed c s ( d c ss t a n d sf o rd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) i sf o r m e db ys l a v e rm a c h i n e sa n dh o s tm a c h i n et h a ta r ea l li p c s ( i p cs t a n d sf o r i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) t h ec o m m u n i c a t i o nf o rt h ed c si sah o s t - s l a v e rm o d e t h r o u g hr s - 4 8 5l i n e 1 t h er e a l - t i m ea b i l i 哆a n dd e p e n d a b i l i t ya r et h o u g h to v e rf o r s l a v e rs y s t e md e s i g n t h ed o s o p e r a t i n gs y s t e mi sa d o p t e df o rt h es l a v e rs y s t e ma n dc l a n g u a g ei su s e dt op r o g r a mt h em r o s ( m u l t i - t a s kr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) t h a ti s u s e dt os c h e d u l et a s k s ，t os a m p l e , s t o r ea n dc o n t r o la n a l o gs i g n a l sa n ds w i t c hs i g n a l s i n a d d i t i o n , t w ot y p i c a li n d u s t r i a lc o n t r o lu n i t sa r ca p p e n d e di n t ot h es l a v e rs y s t e mt o d e m o n s t r a t e t h e v a r i e t y o f a n i n d u s t r i a ls y s t e m 2 a l l t h e f u n c t i o n so f t h e h o s ts y s t e m a l ep r o g r a m m e db yu s i n gv b 6 0t oc o l l e c ta n dd i s p l a yi n f o r m a t i o nf r o ms l a v e rs y s t e m , t op r i n tr e p o r tf o r m s t h eh o s ts y s t e mh a ss o m ef e a t u r e s ：f i - i e n d l yi n t e r f a c ea n d p o w e r f u lf u n c t i o n t h es o f i w a r em o d u l ed e s i g ni d e a l ，f u n c t i o nf l o wa n dl o g i ni n t e r f a c e ， m a i ni n t e r f a c e ，s y s t e mm e n ua n df u n c t i o np a g ea r ei n t r o d u c e d 3 t h er e l i a b i l i t ya n d m a i n t a i t m b i l i t yo f t h es y s t e ma t et h o u g h tc a r e f u l l yw h e nt h ec o m m u n c a t i o nm o d u l ei s d e s i g n e d , s or s - 4 8 5n e t w o r ks t a n d a r da n dt h ei n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra r e s e l e c t e dt om a n a g et h ec o m m u n i c a t i o n t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o nd e s i g no ft h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o rs l a v e ra n dh o s ta r ed e s c r i b e d , t h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e a n t i - j a m m i n gm e t h o df o rt h em o d u l ea r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h ek e yw o r k sa n dm a i ni n n o v a t i o n so ft h ei n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e ma r es u m m m z e d , a n dt h ei m p r o v e m e n t0 1 1 u n i v e r s i t y i 重庆大学高校教师硕士学位论文 e x p e r i m e n tt e a c h i n gr e f o r m a t i o ni sa l s oc o n c l u d e d m e a n w h i l et h ed e f i c i e n c i e si nt h i s r e s e a r c ha r ea n a l y z e da n dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h es i m u l a t i o ns y s t e m t h a ti sg e a r e dt ot h ee x p e r i m e n tt e a c h i n gi sp o i n t e do u t k e yw o r d s ：i n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) ；m u l t i - t a s kr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ( m r o s ) ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ；r s 一4 8 5n e t w o r k s t a n d a r d ；i n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nc 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及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废盍堂 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谢意。 学位论文作者签名：谢秀 签字日期： ) 厂年6 月堙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重庆太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：溺龆 签字日期：) 叩年5 月2 譬日 导师签名：纩 签字日期卿年广月谚日 l 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究方向 随着国家经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，对电力需求愈来愈大， 促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求也越 来越甜”。配电网络自动化和工业测控技术发展迅速，对人才的数量和质量要求也 越来越高。高校教学特别是实验教学必须要向工业现场技术靠拢，实验手段和实 验设备都应该更接近真实的工业控制环境【2 】，这样培养的学生才能更适应社会对人 才的需求，才能更快胜任企业相应技术岗位的工作。高校实验教学改革是时代对 教育的要求。 做为高校教师，笔者长期从事高校工科学生的教学和实验工作，通过对国内 多所高校的调研和长期积累的经验，发现目前高等工科院校实验教学中仍然存在 着许多问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 实验内容和实验设备依附于理论课程进行划分。各实验室和实验内容没有 形成一个有机的整体，缺乏系统的观念。 ( 2 ) 实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，缺乏对学生创新意识的培养和 综合能力的提高。 ( 3 ) 实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要。特别是控制专业 实验设备模块单一，功能简单，远远落后于现代控制技术的发展。 ( 4 ) 应用电子技术、自动控制等专业的多数实验设备没有考虑工业应用背景， 缺乏针对性、真实性，对工业环境的抗干扰措施考虑较少，缺乏实用性。 这些问题在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高，没有 体现教育为现代企业服务的思想。因此，各高校都在积极探索实验教学的改革发 展，相关的课题研究也陆续开展口1 【4 1 。重庆三峡学院应用技术学院是一所专门从事 高级技能人才培养的专业院校，非常重视理论与实验相结合的教学改革，2 0 0 6 年 承担了重庆市教委的教改课题“应用电子技术( 高职高专) 教学改革试点专业”。本文 所研究的适用于高校教学实验环境的i p c 工业测控模拟系统的研究和设计正是以 此课题为背景提出，并得到了重庆三峡学院领导和同行的高度重视和大力支持。 1 2 工业配电测控实验系统的国内外研究现状 目前，国外对配电自动化和计算机网络的研究己非常深入，由现场测控设备 和上位计算机构成的分布式控制系统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 ) 系统有非常 丰富的组态模式，特别是以工业p c ( i p c ：i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ) 构成的d c $ 重庆大学高校教师硕士学位论文 系统功能强大，性价比高，是未来工控系统的主流模式【5 1 。国内各研究单位和学校 对工控系统的研究也作了许多工作嘲【7 】，但许多的d c s 系统的构成，其上位机采 用了i p c ，下位机多采用单片机或是分布式模块，功能较为单一，可靠行和可维护 性不强，而将i p c 构成的d c s 系统和实验教学结合在一起的配电测控实验系统基 本上没有。无论是在实验仪器市场，还是笔者所能够了解到的高等院校，还是在 网上，都未查找到相关的产品和资科。 1 3 研究本课题的意义 工科学生特别是电子、机电、计算机控制等专业的学生迫切需要了解和掌握 i p c 测控技术的相关知识。而目前市场上针对高校实验教学的基于i p c 网络技术和 多任务实时操作系统的培训系统基本没有，因此开发和设计一套以多任务实时操 作系统m r o s ( m u l t i t a s kr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ) b 核心的i p c 网络系统，可以 让学生更真实地掌握工业测控的基本原理，更透彻地了解书本介绍的理论知识， 更快地适应工业控制的技术岗位。实验教学改革向高新工业技术靠拢是大势所趋， 符合现代工科教育教学的改革需要。 i p c 及厕控技术是一个交叉学科，涉及到工控机、总线、接口技术、传感技术、 通信技术、控制方法、编程技术、多任务实时操作系统等多方面的知识。因此， 如果高校实验室中有一整套基于i p c 的d c s 实时实验教学系统，可以让学生更具 体地了解工控系统的组成、更真实地触摸工控系统的工作原理。这样的实验系统 和相关课程结合起来，可使学生对计算机硬件基础、电子技术基础、编程语言、 实时操作系统、网络技术等知识有更深入的了解和掌握 8 ，使得学生可以站在一个 更高的起点上了解工控系统的运行和开发，培养出更加适应工矿企业需求的应用 型人才。而本课题适用于高校教学实验环境的i p c 工业测控模拟系统的研究和设 计正是个从工业配电和测控管理出发，有实际工业背景的d c s 系统，其上下位 机都由i p c 担任，具有较高的控制和管理功能，较好的环境适应性、便利的系统 开发性及较高的教学仿真性。因此本课题的研究、设计和开发作为重庆三峡学院 承担的“应用电子技术( 高职高专) 教学改革试点专业”的支撑项目之一，可为重庆三 峡学院自身的工业控制教学实验系统建立打下坚实基础。同时也为高校实验教学 改革做出一定的探索性、实用性研究。 1 4 课题主要研究内容 课题研究工作主要包括以下几部分： 1 系统总体方案设计。 根据考察调研，本论文模拟工业配电测控系统的运行和监控管理体系，研究 2 1 绪论 和设计了一套面向高校实验教学环境的基于i p c 的d c s 多任务实时模拟系统。 在对系统总体设计过程中，论文首先从设计任务入手对系统整体方案进行规 划，确定系统整体结构、上位机控制系统的功能、下位机系统的功能。然后根据 系统功能要求进行软硬件功能分配、选择编程语言。该系统具有较高的仿真度， 在配接相应的信号调理模板后即可应用于实际的控制环境。 2 下位机系统设计。 根据系统功能要求进行下位机软硬件设计。硬件设计包括多功能数据采集板 卡选择、温度测控子系统、直流电动机测控子系统等设计。软件部分用c 语言编 写，包括各子程序设计、系统中断设计、实时多任务调度程序设计。 3 上位机系统即控制管理系统设计 应用v b 编写上位机控制管理系统软件，完成对多个下位机的管理控制，可实 时显示各下位机上传的模拟量、开关量，这些量分别对应着各配电子系统的三相 电压、三相电流、三相功率( 有功和无功) 、三相电量( 有功和无功) 、变压器输出电 能( 有功和无功) 、各配电母线开关的投切、电容补偿装置的投切状态等。 4 上下位机通信系统设计 研究r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 接口标准及串行通信传输的基本知识，应用智能控制器进 行基于r s - 4 8 5 总线的主从式分布系统通信网络的设计，包括硬件和软件设计以及 网络通信抗干扰设计。 以下几章将分别介绍系统整体方案，下位机系统设计，上位机控制管理系统 设计以及r s - 4 8 5 网络系统研究等内容，最后总结了本系统的创新点和不足之处， 并对未来i p c 工控系统的发展作了展望。 3 2i p c 工业控制模拟系统总体设计方案 2 i p c 工业测控模拟系统总体设计方案 本系统是一个完全按照工业现场环境设计的模拟实验系统，系统运行稳定可 靠是首先需要保证的设计内容。因此，本节首先介绍一下工业现场对测控系统及 测控计算机的的要求，然后再进行系统的总体设计。 2 1 工业现场对测控系统的要求 由于工业现场的操作环境相异性较大，条件相对恶劣，除了对硬件设备提出 了很高的要求外，对测控系统本身更有一系列的综合性要求 9 1 1 1 0 j 。归纳起来主要有 以下几点： 1 ) 系统可靠性高。 采用通用部件， 3 1 系统操作简单。 4 ) 设计周期要短， 5 ) 环境适应性强。 可扩展性好，便于升级。 有利于降低系统费用。 结合上面几点要求，测控系统本身又对测控用计算机提出严格的要求【1 l 】 1 2 1 。 ( 1 ) 平均无故障工作时间m t b f ( m e a n t i m e b e f o r e f a i l u r e ) 要长，至少应该在 8 7 6 0 小时( 一年) 以上。 ( 2 ) 抗干扰性能和抗恶劣环境能力较强。 ( 3 ) v o 总线驱动能力较强。 ( 4 ) 具有定时重新自启动能力 ( 5 ) 实时响应能力强 ( 6 ) 能够为应用软件提供较强的二次开发能力 由上可知，真正功能强大，扩展灵活的工业控制系统对上下位机系统都具有 较高的要求，而纵观国内一些主要的工业控制系统开发和应用实例，一般都是采 用上位机使用i p c ，下位机使用单片机的系统结构。这种系统结构虽然具有成本低 廉、开发简易等特点，但是其下位机使用单片机的弊端也是显而易见的。单片机 结构简单，功能有限，可扩展性和通用性都很差，而且二次开发能力也很弱，这 种“口c 一单片机的控制模式显然已经不是现代工业控制系统发展的趋势。而且单 片机本身较差的易用性和直观性，也不能满足其做为教学实验模拟系统的需要。 综合各种因素，在本系统中，上下位机均选用性价比较好的i p c ，上下位机通 信选用了组网能力强、抗干扰性能好、传输距离较远的r s - - 4 8 5 总线，数据采集卡 和通信转换卡则使用市场上通用的性价比较高的商品化板卡。在这种“i p c - - i p c ” 重庆大学高校教师硕士学位论文 控制模式中，由于下位机也使用了工业控制计算机，使碍下位机系统具有很强的 控制管理功能，并且根据现场控制功能的不同，下位p c 还可以配接不同功能的 控制板卡，从而具有不同的控制功能。这样，每个下位机系统都可以成为一个相 对独立的控制子系统，这使得整个系统的控制能力大大增强。因此该系统具有很 强的实际应用性，并且由于整个控制系统都使用p c ，使得系统的可开发性、扩展 性、易维护性也很强。并且随着计算杌成本的不断下降，系统性价比优越的特性 也日渐得以体现。 2 2 系统总体功能设计 本系统是一个上下位机都是p c 的两级d c s 系统。其中，下位机主要负责工 业现场控制，要求实时性强，可靠性高；上位机负责对各下位机子系统采集的主 要控制数据进行分析、汇总，并对各个下位机子系统进行监控、管理和调度，要 求具有较强的监控管理功能，人机界面友好，操作方便。 2 2 1 系统硬件选择 根据以上要求，下位机选用了控制功能比较强大的研华口c 6 1 0 工业控制计算 机【l ”。该款p c 除了具有通常p c 的共同性能以外，其在硬件设计上还有一大特 色是可扩展性强，它取消了普通p c 机常用的大底板，将其分解为一个带有近二十 个i s a 插槽和p c i 插槽的无源总线底板以及相应的c p u 板、i ，o 板等，大大提高 了可插入板的数目，可以将系统的各个模块如a d 转换、视频采集、通信、1 0 口 输入输出等以插卡的形式像搭积木一样组合起来，方便地扩展成一个复杂的控制 系统。 上位机可选择普通p c ，也可根据使用环境选择工业p c 。本系统为保证通用， 也选用了口c 6 1 0 工控机。 上下位机的通信本系统采用了r s q 8 5 网络通信标准，该通信标准具有差分传 送功能，具有传输距离远、抗干扰能力强、价格便宜等特点，非常适合于条件恶 劣的工业现场环境( 对4 8 5 通信网络标准的功能介绍和选择原因详见第5 1 节) 。 本系统通过r s 4 8 5 网络构成主从式通信网络。其中与上位机相连的 r s 一2 3 2 4 8 5 转换器选用泓格公司的7 5 2 0 模块，与下位机相连的r s 2 3 2 4 8 5 转换器 选用泓格公司的7 5 2 1 模块。 7 5 2 0 和7 5 2 1 通信模块具有波特率自适应功能，其r s 一4 8 5 接口都具有3 0 0 0 v 隔离功能，通过这两个模块，系统能够保证上下位机都从r s q 8 5 网络隔离出来， 不受工业环境中网络噪声的影晌。特别需要指出的是，与下位机相连的r s 2 3 2 4 8 5 转换器系统选用了7 5 2 1 通信模块，其具有嵌入式c p u ，自带通信驱动程序，是一 个可进行r s 2 3 2 地址自动识别和分配的智能通信控制器。该通信控制器可极大地 6 2i p c 工业控制模拟系统总体设计方案 提高系统的可靠性和实时性，也方便了整个系统的开发和维护。这也是本系统设 计的一大特色。 2 2 2 系统主要功能说明 根据本系统功能需要，下位机编程选用t u r b o e 2 0 ，运行于d o s 操作系统，上 位机选用图形化可视编程语言v i s u a lb a s i c6 0 ，运行于w i n d o w s 操作系统。 下位机系统完成的主要功能包括： ( 1 ) 6 4 路模拟量的采集：这些模拟量主要包括电压、电流、功率因数、有功功 率、无功功率等。 ( 2 ) 1 6 路开关量的采集：包括各出线回路开关分合闸状态，补偿电容器的投切 状态。 ( 3 ) 1 6 路开关量的输出控制：包括开关故障报警信号、失压报警信号、过压报 警信号、负载的起停控制等。 ( 4 ) 6 路定时计数通道：用于输出步进脉冲和采集步进机步进数；输出p w m 信号控制直流电动机运行和采集直流电动机转速脉冲；产生 t i c k 信号。 当然，对一个典型的配电系统而言，前3 个功能就已经代表了配电系统的主 要控制和管理功能。但对于本论文所设计模拟系统并不是对一个单纯配电控制系 统的简单复制。它是一个以配电控制系统为基础，面向高校教学实验环境所使用 的教学模拟系统，为了丰富以后实验系统中教学和实验内容，我们在此系统中特 此增加了两个具有代表性的工业控制功能： ( i ) 一个直流电动机子系统的控制。 ( m 一个模拟的温度测控子系统( a p 步进电机控制系统) 的控制 通过增加上述两个典型的工业控制模块：一方面大大完善了本系统的控制通 用性；另一方面也使得本系统具有更强的面向教学实验的特色。这使得本系统成 为一个源于配电控制系统，但控制内容、控制手段结构比配电系统更加丰富的、 更适合于教学环境下使用的工业测控模拟系统。 在上位机设计中，本系统用一台上位机连接8 台下位机( 这是一个实验室的通 常规模) ，并且该上位机可以发出指令和任何一台与之相连的下位机进行通信。收 集各下位机传送来的电流、电压、功率等模拟量信息和各子系统配电母钱的开关 分合闸及补偿电容器的投切情况，并进行相关的分析、汇总、报表生成等处理， 对各下位机子系统进行监控和宏观调度。 2 3 系统硬件结构总体设计 本系统总体结构框图如图2 1 所示。本系统是一个分布式的网络结构，上下位 机在物理上分布于不同位置，而上下位机之间的信息通信则通过7 2 5 0 7 5 2 1 智能通 7 重庆大学高校教师硕士学位论文 信控制器承担，通过r s 一4 8 5 总线进行信息的传输。 采用7 5 2 1 智能通信模块后，无需用户自己编写通信驱动程序，简化了系统的 编程工作量，提高了系统的通用性和可靠性。 主站 i p c转换器7 5 2 0 r s - 4 8 5 网络 r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 智能通信模块 7 5 2 1 d 从站i p c ll 从站i p c l #i l8 # 图2 1 系统总体框图 f i g 2 1s y s t e mo v e r a l ld i a g r a m 2 4 本章小结 由于本系统是一个完全从工业现场测控系统需求出发而设计的、面向高校教 学实验环境使用的计算机测控网络模拟系统，因此本章首先阐述了工业现场环境 下，测控系统及测控计算机的基本需求，根据这些需求，本章给出了系统的总体 功能要求，并重点说明了硬件选型的依据、系统功能特点。最后给出了系统的总 体硬件结构设计框图。 本章是后续几章的总纲，后续第3 、4 、5 章，将分别阐述下位机系统、上位 机系统及上下位机通信系统的软硬件设计，从而构成了本系统的完整设计。 3 下位机系统设计 3 下位机系统设计 下位机实际上是一个小型i p c 测控系统，模拟一个配电小区或工厂配电系统 的运行管理。它可以在多任务实时操作系统m r o s 指挥下完成对6 4 路模拟量、1 6 路开关量的采集及1 6 路开关量的输出控制，由于本系统是面向教学实验所设计的， 为了丰富实验环境下控制对象的多样性，系统特增加了对一个直流电动机子系统 的控制和一个模拟的温度测控子系统( 即步进电机控制系统) 的控制。下面分别介绍 下位机系统的硬件和软件设计。 3 1 下位机硬件系统设计 由于本系统是一个面向教学实验的工业控制模拟系统，不可能百分百再现真 实工业控制环境，而主要侧重于对主要的工控系统功能的模拟。因此对前端的电 流电压等测量仪器仪表及相关传感器，在本系统中都用电位器和电平开关来模拟。 本节着重对下位机所使用的板卡进行了功能说明，对下位机系统中两个重要的工 业控制典型环节：温度测控子系统和直流电动机控制子系统进行了较为详细的设 计和说明。而没有对工业配电系统所需的常规采集量的采集方法和相关结构进行 过多的赘述。 3 1 1 下位机系统硬件设计框图 本系统下位机选用二块p c - 6 3 1 3 多功能模入模出板卡( 每块板卡有2 4 路开k 开出、3 2 路单端模拟量输a 1 6 双端输入、3 个定时器计数器、2 路模拟量输出1 完成6 4 路模拟量的采集，1 6 路开关量的采集，1 6 路开关量的输出控制显示，以 及一个温度测控子系统和一个直流电动机测速子系统的控制。并由p c 6 3 1 3 的1 样 板卡的一个定时计数器产生系统实时操作系统必须的! t i c k 信号。在上位机的控制 下，下位机可通过r s - 4 8 5 网络上传所采集的数据。其框图如图3 1 所示。 9 重庆大学高校教师硕士学位论文 图3 1 下位机i p c 系统框图 f i g 3 1 t h eb l o c kd i a g r a mo f t h ei p cs y s t e m 3 1 2p c 6 3 1 3 多功能模入模出接口卡功能及应用 ( 1 ) p c 6 3 1 3 板卡工作原理l l 州 p c 6 3 1 3 是北京中泰研创科技有限公司的多功能模入模出接口卡。适用于具有 i s a 总线的p c 系列微机，可在各种p c 3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 、pi i 、p m 等机型上工作。 p c 6 3 1 3 模入模出接口卡主要由模数转换电路、数模转换电路、数字量输入输 出电路，接口控制逻辑电路构成。其一块板卡就可代替一般工控系统中的a d 、 d a 板卡、f o 板卡、定时计数器板卡等多种板卡，结构紧凑、功能齐全，性价比 高。根据设计需要，本系统选用了两块p c 6 3 1 3 板卡。其工作原理框图如3 2 所示。 1 0 3 下位机系统设计 d 0 d 7 图3 2p c 6 3 1 3 板卡工作原理框图 f i g 3 2p r i n c i p l e b l o c k d i a g r a m o f t h e p c - 6 3 1 3 ( 2 ) 板卡主要技术参数及在本系统中的设置 p c 6 3 1 3 板卡的技术参数主要包括以下几部分： 1 ) 模入部分： 输入通道数：( 标为出厂标准状态，下同) ：单端3 2 路y 双端1 6 路 输入信号范围：0 v 1 0 v * ：- - 5 v + 5 v a d 转换分辨率：1 2 位 a d 转换速度：1 0 i t s 2 ) 模出部分： 输出通道数：2 路 互相独立，可同时或分别输出) 输出范围： 电压方式：o 5 v ；0 1 0 v * ；- - 5 v + 5 v ；- - 2 5 v + 2 5 v ； 电流方式：0 1 0 m a ；4 2 0 m a d a 转换器件：d a c l 2 1 0 d a 转换分辨率：1 2 位 d a 转换输入码制：二进制原码( 单极性输出方式时) ；二进制偏移码 ( x x 极性电压输出方式时) d a 转换综合建立时间：q “s 3 ) 数字量输入输出部分：可编程d l d o 共2 4 路，一片8 2 5 5 4 ) 可编程定时计数器：3 路，1 6 位字长，一片8 2 5 3 5 ) 基准时钟：1 m h z ，占空比5 0 重庆大学高校教师硕士学位论文 本系统中使用了两块p c 6 3 1 3 板卡，共采集1 6 路开关量，6 4 路模拟量，控制 1 6 路开关量输出，以及控制一个温度测控子系统和一个直流电动机子系统。模拟 量输入采用单端输入方式，输入信号范围为一5 v + 5 v 。 p c 6 3 1 3 板卡上主要有两片可编程控制芯片：8 2 5 5 可编程并行接口和8 2 5 3 可 编程定时计数器。 本系统中8 2 5 5 用来提供开关量的输入输出接口以及温度测控子系统和直流电 动机所需的f o 端口。 本系统中8 2 5 3 非常重要，它的功能主要有： 产生p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制信号，对直流电动机的转 速脉冲进行计数。 产生步进脉冲，对步进脉冲计数，以控制步进电动机运行，做为温度 测控子系统的执行元件工作。 定时产生i r q 3 中断请求信号，使系统获得多任务实时操作所必须的 基准信号： t i c k 信号。 由于介绍这两个芯片的书籍很多，本文不再赘述，以下着重介绍一下p c - 6 3 1 3 板卡的使用方法。 ( 3 ) p c 6 3 1 3 使用与操作 1 ) p c 6 3 1 3 输入输出插座接口定义：如图3 3 ( 括号内表示双端输入时通道组 成) 。 i2 r 。1 模拟地l oo i 模拟地 c h t ( c h t + ) looic h t 删1 0 c h 2 ( c h 2 + ) ioo ic h i k c h r ) c h 3 ( c h l + ) loo lc h l 9 ( c h ，) c 地( c h ，) l00 ic h ( c f h - ) c h i c h i ) loo fc l ( c h , - ) c h 6 ( c h 矿) looi c l = i n ( c 地) c h i c h i ) looc h 口i c h ) c h “c h # ) j o o fc h “c h r ) c h g ( c h g + ) looc h ”【c h c h i o ( c h t o + ) 10oc h “( c h t c h ( c h i i + 1f oo fc h 2 , ( c h t t ) c h l 2 ( c h n + ) iooic h ( c h u - ) c h l ，( c h ，+ ) l oo lc h ”( c h i n c h - “c h l loo lc h ，口f c h ”) c h l 5 ( c h 矿) ioo lc h i l ( c h t 5 一) c h ) 6 c h t 广) looc h ”( c h u - ) * 1 2 v f oo l * 1 2 v d a l oo l1 3 模拟地l oo i 模拟地 12 ”v 网州 “科i oo i g a t f o u t l oo l e t g n d i oo i g n d i o o i 蹦 p a 2 l oo lp a ， 队j oo i 眦1 0o i 峨i oo i 啦 啦l oo l 隅 甚l ：。o i 警 l o o j p c z i oo i p c ， p c l oo i p c ， p c i oo i p c ， o 。幽g n d 图3 3p c 6 3 1 3 输入输出插座接口定义图 f i g 3 3 i os o c k e t s o i l t h e p c - 6 3 1 3 1 2 3 下位机系统设计 2 ) p c 6 3 1 3 f o 基地址选择：f o 基地址的选择是通过开关k l 进行的。开关拨 至o n 处为0 ，反之为l 。初始地址的选择范围一般为0 1 0 0 h 0 3 7 8 h 之间。出厂 时其基地址设为0 3 0 0 h ，并从基地址开始占用连续1 6 个地址。举例说明见图3 4 。 本系统根据硬件配置情况设置为：p c 一6 3 1 3 的1 # 板卡基地址为0 2 8 0 h ，2 # 板卡基地址为0 3 0 0 h 。 圃圃 a 0 1 0 0 hb 0 2 8 伽c 0 3 1 0 h 图3 4p c - 6 3 1 3 y o 基地址选择举例 f i g 3 4 e x a m p l ef o rs e l e c t i n gb a s ea d d r e s s e so nt h ep c - 6 3 1 3 3 ) p c - 6 3 1 3 跨接插座的用法： 乱输入单双端方式选择：如图3 5 。本系统采用单端输入。 k j -k j 。k j ,k j 2 a 单端输入方式b 双端输入方式 图3 5p c - 6 3 1 3 单双端输入方式选择 f i g 3 5s e l e c t i n gs i n g l e d o u b l e i n p u t m o d o n t h e p c - 6 3 1 3 b a d 转换码制选择：k j 4 为转换码制选择插座。选择方法如图3 6 。 囤回 sdsd & 单极性原码b 双极性偏移码 图3 6a d 转换码制选择 f i g 3 6s e l e c t i n g a dc o n v e r s i o nc o d e so nt h ep c - 6 3 1 3 本系统根据实际环境中电压、电流都有正负极性，因此选择双极性偏移码。 c 中断方式及中断源选择：l l 为中断方式选择开关，改变k 1 1 1 的位置可以 重庆大学高校教师硕士学位论文 选用i r q 3 或i r q 7 中断源，或不选择中断方式。本系统需要用8 2 5 3 产生系统运 行必须的“t i c k ”信号，选用了图3 。7 b 的接法。 k j ，- k j n 圜 b i r q 3 中断 圈 c 非中断方式 图3 7 中断源的选择 f i g ，3 7s e l e c t i n g i n t e r r u p ts o u r c e o n t h e p c - 6 3 1 3 4 ) p c 一6 3 1 3 控制端口地址与有关数据格式：以下表3 1 表3 4 分别表示了 p c 一6 3 1 3 板卡的端口地址与操作功能、8 2 5 3 程控信号及中断申请允许信号的定义 及数据格式、a d 转换状态数据格式以及a d 转换结果数据格式。编程时要认真 对照端口格式进行相关操作。 表3 1 端口地址与功能 t a b l e3 ip o r ta d d r e s s e sa n df u n c t i o n s 瑞口操作地址操作命令 功能 基地址+ o写写通道代码，写8 2 5 3 程控代码 基地址+ o 读 启动d a 转换 基地址+ 1写启动a d 转换 基地址+ 2读查询a d 转换状态，读高4 位转换结果 基地址+ 3读读a d 低8 位转换结果，清除中断标志 基地址+ 4 写 写d a 1 高8 位数据 基地址+ 5写 写d a l 低4 位数据 基地址十6写写d a 2 高8 位数据 基地址+ 7 写 写d a 2 低4 位数据 基地址+ 8读写读写8 2 5 3 计数器0 通道数据 基地址+ 9读，写读写8 2 5 3 计数器1 通道数据 基地址+ a 读写读写8 2 5 3 计数器2 通道数据 基地址十b 写写入8 2 5 3 控制寄存器控制字 基地址+ c读写读写8 2 5 5 a 口数据 基地址+ d 读写 读写8 2 5 5 b 口数据 基地址+ e 读写读写8 2 5 5 c 口数据 基地址+ f 写写入8 2 5 5 控制寄存器控制字 1 4 照 3 下位机系统设计 表3 28 2 5 3 程控信号及中断申请允许信号的定义及数据格式 1 h b l e3 2m o d ed e f i n i t i o nf o r m a to f c o n t r o lw o r df o r8 2 5 3 l 端口地址 操作命令 d 7 d 6 d 5 d 4 l d 3 d 2 d l d o 操作结果 l 基地址+ o 写 lxxx 通道代码8 2 5 3 g a t e 允许 l 基地址+ o 写 oxxx 通道代码8 2 5 3 伽禁止 表3 3a d 转换状态数据格式q ( 表示任意) 1 捌e3 3d a t af o r m a to f a dc o n v e r s i o ns t a t u s l 操作命令ld 7j d 6 d 5 d 4 d 3 d 2ld ld o a d 转换状态 l 读 l 没有或正在转换 l 读 o 。 i 转换结束 注意：端口地址为基地址+ 2 。 表3 4a d 转换结果数据格式 t 曲l e3 4a dc o n v e r s i o nd a t af o r m a t l 端口地址 l 操作命令id 7ld 6i d 5ld 4d 3d 2d 1 d ol 意 义 l 基地址+ 2 l 读 l 0 1 0 l 0 1 0 l d b l ld b l 0 1 d b 9 1 d b 8 l 高4 位数据 l 基地址+ 3读 d b 7d b 6d b 5d b 4 d b 3 d b 2d b ld b 0低8 位数据 注意：读取低8 位数据的另一附加作用是清除a d 转换标志及中断标志，在 每一个a d 转换程序段开始时，应通过空读低8 位数据初始化a d 转换标志及中 断申请标志。 5 ) 模入模出码制以及数据与模拟量的对应关系： p c - 6 3 1 3 板卡在双极性方式工作时，转换后和写出的1 2 位数码为二进制偏移 码。此时1 2 位数码的最高位( d b l l ) 为符号位，“0