（计算机系统结构专业论文）基于串行通讯的离散式控制系统的设计与实现.pdf

摘要 现场总线是一种开 以卓越的性能在工业控 程门阵列f p g a 的出现， 摘要 系统。它 现场可编 技术使设 计的产品达到小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有用户可编程特性，大大 缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。硬件描述语言v h d l 支持硬 件的设计、验证、综合和测试，具有描述能力强、生命周期长、支持大规模设计 的分解和已有设计的再利用等优点。在这样的需求和技术背景下，作者实现了基 于串行通讯的离散式控制系统，它具有现场总线的特征。 文章首先定义了该系统的拓扑结构、总线协议。其中总线协议包括数据报文、 通信规则等。然后详细介绍了怎样用硬件实现总线协议，包括逻辑设计和电路设 计，其中逻辑设计包括设备管理器和分控模块总线接口的逻辑设计：在电路设计 中详细的介绍了光纤板上的设计。接下来为设备管理器编写了在l i n u x 下的驱动。 最后编写了方便用户使用的操作界面。 从最初的设计到最终的实现过程中取得了相当的成果，其中光纤板已经应用 在了蓝天数控机上。该系统的设计与实现为更为复杂的现场总线控制的设计打下 了基础。 【关键词】设备管理器分控设备p c b 驱动操作界面 基丁串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns e r i a l c o m m u n i c a t i o n x i a ji a nm i n g ( c o m p u t e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh ep i n g f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) i so n ek i n do fo p e n ，m u t u a l l yo p e r a t i o n a l ， t h o r o u g h l yd i s p e r s e rd i s t r i b u t i o n a lc o n t r o ls y s t e m i tm o r ea n d m o r er e c e i v e st h ef a v o r b yt h er e m a r k a b l ep e r f o r m a n c ei nt h ei n d u s t r yc o n t r 0 1 m e a n w h i l ea l o n g 、i mt h e e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h ea p p e a r a n c eo ff p g ae n a b l e su st ot od e s i g n o w ne l e c t r o c i r c u i t ，t h i s t e c h n o l o g y e n a b l e st h ed e s i g n p r o d u c t t oa c h i e v et h e m i n i a t u r i z a t i o n ，t h ei n t e g r a t i o na n dt h er e l i a b i l i t y , m o r e o v e rt h ea p p a r a t u sh a st h e p r o g r a m m a b l ec h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hr e d u c e dg r e a t l yt h ed e s i g nt i m e ，t h ed e s i g ne x p e n s e a n dt h ed e s i g nr i s k h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev h d ls u p p o r t st h ed e s i g n ，t h e c o n f i r m a t i o n ，t h es y n t h e s i sa n dt h et e s t i th a sal o to fm e r i t s u c ha st h es t r o n ga b i l i t yo n d e s c r i p t i o n ，t h el o n gl i f ec y c l e ，s u p p o r to fl a r g e s c a l ed e s i g na n d t h er e u s eo ft h eo l d d e s i g n u n d e rs u c hd e m a n da n dt h et e c h n i c a lb a c k g r o u n d ，t h ea u t h o rh a sr e a l i z e dd c s b a s e do nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，i th a st h ef c s sc h a r a c t e r i s t i c f i r s t l y ，t h ea r t i c l eh a sd e f i n e dt h i ss y s t e mt o p o l o g y , b u sa g r e e m e n t t h eb u s a g r e e m e n ti n c l u d ed a t at e l e g r a m ，c o r r e s p o n d e n c er u l ea n ds oo n t h e ni n t r o d u c e dh o w t or e a l i z eb u sa g r e e m e n tb yt h eh a r d w a r ei nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h el o g i c a ld e s i g na n dt h e e l c e t r o c i r c u i td e s i g n a n dl o g i c a ld e s i g nh a st w op a r t s ，d e v i c em a n a g e ra n dm o d u l a r i z e b u si n t e r f a c e t h e ni n t r o d u c e dt h ed e s i g no ff i b e rb o a r d n e x tc o d e dt h el i n u xd r i v e rf o r d e v i c em a n a g e n a tl a s tw r i t et h eg u if o ru s e r sc o n v e n i e n c e s o m eu s e f u lp r o d u c t i o nh a v ec o m ei n t ob e i n gf r o mp r i m a ld e s i g nt of i n a l i m p l e m e n t t h ef i b e rb o a r dh a sa l r e a d ya p p l i e da tt h eb l u es k yn u m e b e r c o n t r 0 1 t h e d e s i g na n di m p l e m e n tm a d e av e r yg o o df o u n d m i o nf o rt h em o r ec o m p l i c a t e df c s k e y w o r d d e v i c em a n a g e r d i s t r i b u t i o n a lc o n t r o ls y s t e mp c bd r i v e ro p e r a t i o n - i n t e r f a c e i l 引言 引言 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统推出都是针对老一 代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因 的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。 1 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度 低，易受干扰。 2 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、p l c 、s l c 或微 机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中 模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点 是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以 统一调度和安排：不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力 和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 3 集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d c s ) 于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、 分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机 下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之 间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字 控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布 式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的d c s 厂 家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂 家的d e s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e m e t 信息网络之间难以实现网络互 连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可 互操作性的分布式控制系统且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系 统提出了开放化和降低成本的迫切要求。 4 现场总线控制系统( f e s ) f e s 正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的网 络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底 下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f e s 实质是一种开放的、具可 互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为2 1 世纪控制系统的主流产品。 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s 、b i t b u s 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c n e t 、p n e t 、f i p 、 1 基丁串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 i s p 等，其中最具影响力的有5 种，分别是f f 、p r o f i t b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 要不要搞f e s 在国外正蓬勃发展，我国工控界应如何迎接自控领域这场变革 的到来呢? 这个问题可从分析我国工控业的发展历程和现状中找到答案。我国民 族工控产品如p l c 、d c s 长期落后于国外，根本原因是国外少数几家大公司为保证 其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构，我国对其关键核心技术只有通 过引进消化后方可掌握，因此贻误了市场时机而总是落后于人家，受制于人。现 场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在国际市场上的发展带来了一个千载 难逢的平等竞争机遇，当游戏规则的变更使大家站在同一起跑线上时，就看谁捷 足先登，抢先占领市场，把握主动权，最终领导市场。因此，我们应当紧紧抓住 这一契机，率先推出有中国特色的现场总线产品，开创中国自己的国际工控产品 的名牌，从而翻开中国工控界发展的新篇章。 此次研发的基于异步串行通讯的离散式控制系统是一种具有现场总线特征的 控制系统。为更加复杂的现场总线的研究提供了基础。 现场总线的时代即将来临，让我们以热情和主动的姿态迎接这场世纪之交的 机遇和挑战。 2 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 此次研发的基于异步串行通讯的离散式控制系统是一种具有现场总线特征的 控制系统。为更加复杂的现场总线的研究提供了基础。 首先介绍一下当今世界现场总线发展和应用的情况以及我国现场总线的应用 和研究情况。现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开 发出有4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s 、b i t b u s 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c n e t 、p - n e t 、 f i p 、i s p 等，其中最具影响力应用最广的有5 种，分别是f f 、p r o f i t b u s 、h a r t 、 c a n 和l o n w o r k s 现场总线技术从2 0 世纪9 0 年中后期引入中国，至今在技术概念上已被广泛 接受，用户群和使用面迅速增加和扩大，许多自动化项目把现场总线控制作为选 择方案之一，但鉴于项目一次投入成本、技术的成熟性等原因未必采用之。另外， 国内自动化工业生产企业相对国际企业来说处于弱势，虽然有一些国内企业开发 了一些从站产品，但大多还是小打小闹，主要现场总线产品还是靠外国公司供货。 在没有大量国内厂商进行研制、开发、宣传、推广的前提下，现场总线技术的普 及速度会受到一定影响。 现场总线的技术优势、使用方便性已不用置疑，从成本角度看，显然比传统 控制技术要低，特别是连接电缆的成本大大降低，还有系统的安装调试、维护成 本降低，整个系统的成本也随之降低。但是，由于现场总线还是一项新技术，分 摊的研发成本较高，用户未普及，生产量低，使产品成本较高，使用户的一次性 投入也高，当高出传统控制系统一定成度时用户就难以接受，这限制了现场总线 被选用。 但是，随着使用的普及，研发成本消化，生产成本降低，尤其是国内企业大 量研制、生产出相应产品之后，现场总线产品成本将大幅度降低，自动化项目会 普遍使用。 1 2 本文的组织结构 第一章为“绪论”。本章首先介绍了国内外现场总线的研究和应用情况。说明 研发我国自主产权的现场总线的重要性。 第二章为“基于异步通讯的离散式控制系统。本章主要整体地介绍系统。其 中主要介绍了该系统的拓扑结构、总线协议等。 第三章为“设备管理器逻辑设计与实现 。本章首先介绍了设备管理器的结构， 基t - 串彳亍通讯的离散式控制系统的设计与实现 它包括p c 总线接口、分控模块管理器以及串行总线管理器。接下来各节介绍了各 个组成部分的设计与实现。 第四章为“分控模块总线接口的逻辑设计和逻辑仿真”。本章介绍分控模块总 线接口的逻辑设计以及整体系统在q u a r t u s 中的仿真效果。 第五章为“设备管理器、分控模块的硬件电路设计”。本章首先介绍了由4 8 5 串行总线连接的设备管理器、分控模块板卡的设计，接下来详细的介绍了光纤板 卡的设计。 第六章为“设备管理的驱动设计”。本章为设备管理器编写了在l i n u x 下的驱 动程序。 第七章为“用户操作界面的设计 。本章介绍了为了方便用户的使用该系统而 利用q t 编写的用户操作界面。 4 第二章基丁异步串行通讯的离散式控制系统 第二章基于异步串行通讯的离散式控制系统 基于异步串行通讯的离散式控制系统是一种具有现场总线特征的控制系统。 作为总线式的控制系统，其核心是系统拓扑结构和总线协议。 2 1 系统拓扑结构 在集散控制系统( d c s ) 中，上位机和下位机是通过1 对1 的模拟信号传输， 所以只能采用星星拓扑结构，这样大大的增加了布线难度和成本。 本系统采用链式拓扑结构，用两对双脚线来连接分控设备。大大的减少了布 线成本，并且减少了出错的可能。一条用于设备管理器发送数据，在这条总线上， 设备管理器不停的发送数据。另一条用于分控设备反馈数据，它们分时共用这条 总线。( 图2 - 1 ) 图2 - 1 系统拓扑结构 中央处理器主要包括工业计算机和控制软件。工业计算机用来向设备管理器 和控制软件提供硬件接口和运行平台。控制软件负责处理设备管理器提供的信息 并进行控制，另外提供用户的二次开发接口。 设备管理器主要包括串行总线管理器、分控模块管理器和p c 总线接口。其通 过总线接口与的中央处理器系统总线相连，交换检测信息和控制命令。并通过串 行总线与分控模块相连。实时管理分控模块。 分控模块主要功能是处理特定的检测信息和控制输出。其通过串行总线与设 备管理器进行信息交换。 基于串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 2 2 总线协议 本系统采用一主多从的总线模式。主从之间采用双向异步串行通讯。总线电 气连接采用r s 4 8 5 硬件协议，异步通讯采用1 1 位有校验的异步通讯协议。本文采 用硬件实现该总线协议。 2 2 1 报文结构 设备管理器发往各个分控模块的数据结构是由7 组数据组成的。这7 组数据 分别是：头信息，地址信息，4 组数据，结束信息。每组数据中包括有起始位，8 位数据位，校验位，结尾位( 见图3 ) 。在分控模块反馈的数据结构中，在地址信 息中是分控模块自己的地址，4 组数据是分控模块反馈的结果。( 图2 - 2 ) 头 地址一数据一一i ；隰二j 数据三一数据四j尾一 开始位， 8 位数据一校验位，结束位一 图2 2 数据链路层报文结构 2 2 2 通信规则 c p u 通过i s a 总线把数据发送到设备管理器，设备管理器根据地址的不同，把 数据暂存在命令寄存器中。设备管理器会根据分控模块反馈的地址信息来发送命 令寄存器中的数据。各个分控模块不停地监听串行数据总线，如果是自己的地址， 就接受该数据。分控模块在接受到数据后，经过一定的时间把执行结果反馈给主 机。具体的通信规则如图2 3 所示。 图2 - 3 数据链路层通讯规则 6 第二章基丁异步串行通讯的离散式控制系统 添加特殊地址的数据是为了实现动态的增加和删除分控模块。具体的实现见 设备管理器逻辑设计中的分控模块管理器。 2 2 34 8 5 总线驱动 这里采用r s 4 8 5 1 4 坞区动串行总线。现在比较通用的串行总线是r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、 r s 4 8 5 三种。 ( 1 ) r s 2 3 2 串行接口 r s 一2 3 2 c ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ) 串行接口是计算机与外设之间以及计算机与 测试系统之间最简单、最普遍的连接方法，采用2 3 线连接器。其最高的单向数据 传输率为2 0 k b p s ，此时的最大传输距离为1 5 米。适当降低速率，其最大传输距离 可达6 0 米。但它只是一对一的传输，仅用于简单或低速的系统，在实际应用中还 有一定的市场。 ( 2 ) r s 4 2 2 a 总线 r s 4 2 2 a 串行总线也是一种常用的接口总线，支持一点对多点的通信。它在 传输速率、传送距离及抗干扰性能等方面均优于r s 2 3 2 c ，采用差动( 差分) 收发 的工作方式，利用双端线来传送信号，最高数据传输率为l o m b p s ，此时的传输距 离为1 2 0 米，可连接3 2 个收发器。如适当降低传输率，可增加其通讯距离。例如 在l o k b p s 时距离可达1 2 0 0 米。 ( 3 ) r s 4 8 5 串行总线 r s 4 8 5 是一种典型的串行总线，支持一点对多点的通信，采用双绞线连接， 可连接3 2 个收发器，其他特性与r s 4 2 2 a 总线接近，在测控系统中得到较为普遍 的应用，但不能满足高速测试系统的应用要求。 e i ar s 一4 8 5 标准 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距 离的数字通信。在r s 4 2 2 标准的基础上，e i a 研究出了一种支持多节点、远距离 和接收高灵敏度的r s 4 8 5 总线标准。 r s 一4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规 格要求： 接收器的输入电阻r i n 1 2 l q 驱动器能输出7 v 的共模电压 输入端的电容弋 i 0 2 v ，表示信号”0 ”；v + 一v 一一0 2 v ， 7 基于串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 表示信号”1 ”) 因为r s 一4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得e i a r s 4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 2 3 该串行总线的特点 ( 一) 布线灵活、成本低、可靠性高。因为只需要两对双绞线就可以实现通信。 各个分控模块反馈数据时分时占用一条总线。分控模块从设备管理器接受命 令并把命令的执行结果反馈给设备管理器。由于所有分控模块的反馈数据都分时 占用这对双绞线，这样不但大大的降低了布线的成本，同时也减少了出错的概率。 ( 二) 通用性好 分控模块可以把接受到的命令当成数据，也可以当成对应的3 2 个开关量，视 具体设备而定。 ( 三) 有效的传输速率高 在设备管理器和各个分控模块通讯中，有效传输速率达到了3 5 。 ( 四) 单设备管理器多分控模块。可以动态的从线路上删除或增加分控设备 为了提高传输速度，设备管理器具有自动检测分控模块个数的功能。设备管 理器根据分控模块的反馈结果来判断分控模块的连接情况。如果长时间设备管理 器没有接到某个分控模块的反馈数据，设备管理器便认为该模块已经不在线路上 了，便从设备列表中删除该设备，也就不再给该从机发送数据了。当有新的分控 模块连接到线路上时，如在接受到特殊地址数据前，没有接受到该地址的数据， 则在接受完特殊地址的数据后，给设备管理器发送一组数据，这样，设备管理器 便把该设备添；o n n 设备列表中，过几个周期后，便会给该模块发送数据了。 2 4 用户操作界面 设计用户操作界面的目的主要是为了用户方便地使用该系统，首先需要为用 户提供良好的人机界面，其次，为用户提供简单的易掌握的编程语言。 为了实现良好的人机界面，我们为用户提供了图形操作界面，在图形操作界 面上提供了文件的保存，打印，另存为等工具按钮，另外还提供有编译，执行等 按钮。为了给用户提供简单的易掌握的编程语言，我们采用了标准的通用的编程 语言。 8 第二章设备管理器的逻辑设计与实现 第三章设备管理器的逻辑设计与实现 设备管理器主要包括串行总线管理器、分控模块管理器和p c 总线接口。其通 过p c 总线接口与中央处理器系统总线相连，交换检测信息和控制命令。并通过串 行总线与分控模块相连。实时管理分控模块( 见图3 - 1 ) 。系统该部分的实现使用 了硬件描述语言( v h d l ) ，使用的编译环境是q u a r t u s l i 。 p 分控串行 c 模块总线 总 管理 管理 串行鑫链一 1 s a 思缝一 线器一器一 一 接 口一 图3 - 1 设备管理器框图 随着电子技术的发展，现场可编程门阵列f p g a 1 】【2 】【3 】的出现，使得我们可以 自己设计自己的电路，这种可编程技术使设计的产品达到小型化、集成化和高可 靠性，而且器件具有用户可编程特性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用， 降低了设计风险 v h d l 的英文全名是v e d ，一h i 曲s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e l 5 】【6 】f 7 】v h d l 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含 有许多具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法是十分类似 于一般的计算机高级语言。它有以下优点：( 1 ) v h d l 的宽范围描述能力使它成为 高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而 花较少的精力于物理实现。( 2 ) v h d l 可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制 逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流，保存和重用。( 3 ) v h d l 的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。( 4 ) v h d l 是一个标准语言，为 众多的e d a 厂商支持，因此移植性好。 3 1p c 总线接口 该模块的主要功能是负责设备管理器与中央处理器之间的通讯，它最终会给 分控模块管理器提供一个数据缓冲区，用于存放中央处理器传来的命令。同时， 9 基于串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 它也需要一个数据缓冲区，用于读取分控模块的反馈信息。在本系统中采用的是 i s a 总线。i s a 总线的读写时序图如下1 c l k a l e a o a 1 9 d o d 7 l o r c hr d y i t l l - 2l s 厂1 i ：广f -ri i - i i ；f i一一 l i l k 一 、 i ， ii i li ii一_ 上、 _- - 一一一 ll j l i l i i 图3 - 2i s ai o 端口读总线周期时序 c l k l 二：一二卜1 一：州二h 二h c l k l 厂1 厂1 一厂 一一厂 a o = 三医垄圭圭蚓 。一， = = = # = 设备管理器发送1 1 位高阻态的时间+ 分控模 块准备好反馈数据的时间。 否则在长时间的运行后，势必会造成分控模块反馈数据的丢失。分控模块在 发送完反馈数据后，只需要发送1l 位的高阻态即可。 4 1 2 接受模块 该模块的设计原理与设备管理器中串行总线管理器的接受部分基本上一致， 但是分控模块有自己的地址，所以分控模块只接受自己地址的数据以及特殊的地 址的数据，如果在接受到特殊地址的数据之前接受到与自己地址相符的数据，就 不接受特殊的数据；否则接受完特殊地址的数据后向设备管理器发送数据位全1 墼丁串行遥i h 的离f 盘式控制系统的设计与实现 的数据。 为了实现上面的功能，在接受到地址数据后需要同自己的地址对比，相同 则将接受到的数据保存，否则丢弃接受到数据。 4 2 设备管理器和分控模块整体的仿真测试 测试软件使用了a t e r a 公司的q u a r t u s l i 工具在仿真测试中分控模块在接受 到设各管理器的数据后，直接返回接受到的数据。 在仿真巾的时钟周期为l o n s 。若采用8 m 的时钟频率时钟周期为1 2 5 n s 。从 仿真图中从设各管理器丌始发送数据到从分控模块反馈数据还不到l m s 。因为这 里分控模块准缶反馈数据的时间为零，但至少说明分控模块接受到数据小于l m s 。 4 3 小结 跚揣；盟盟揣；高j j 龇。1 1 1 1 1 。1 ” 幽4 一iq u a r t u s 仿真 这里总结一下设各管理器和分控摸块之问的通信特点。 布线灵活、成本低、可靠性高。因为只需要两对双绞线就可以实现通信。 各个分控模块的反馈数据分时占用一条总线。分控模块从设备管理器接受命 令并把命令的执行结果反馈给设备管理器。另外各个分控模块的接受模块也分 时共用一条总线。这样，不但大大的降低了却线的成本，同时也减少了出错的概 率。 通用性好 分控模块可以把接受到的数据当成命令，也可以当成对应的3 2 个丌关量- 视 具体设备而定。 2 4 田田田田田田 目吲目团h目 第四章分控模块总线接口的逻辑设计和逻辑仿真 有效的传输速率高 在设备管理器和各个分控模块通讯中，有效传输速率达到了3 5 。 单设备管理器多分控模块。可以动态的从线路上删除或增加分控设备 保证信号传输的延迟时间 如果设备管理器采用8 m 的时钟频率，分控模块的个数为8 时，当中央处理 器通过内部总线把数据发送给设备管理器中，到分控模块接受到数据的最大延迟 小于1 毫秒。 2 5 基丁串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 第五章设备管理器、分控模块的硬件电路设计 这里使用的工具是p r o t e l ，它具有操作简单、易学易用、功能强大的特点。 下面介绍一下p c b 板设计的工作流程： 1 方案分析 决定电路原理图如何设计，同时也影响到p c b 板如何规划。根据设计要求 进行方案比较、选择，元器件的选择等，开发项目中最重要的环节。 2 电路仿真 在设计电路原理图之前，有时候会对某一部分电路设计并不十分确定，因此 需要通过电路仿真来验证。还可以用于确定电路中某些重要器件参数。 3 设计原理图元件 p r o t e l 提供了丰富的原理图元件库，但不可能包括所有元件，必要时需动手设 计原理图元件，建立自己的元件库。 4 绘制原理图 找到所有需要的原理元件后，开始原理图绘制。根据电路复杂程度决定是否 需要使用层次原理图。完成原理图后，用e r c ( 电气法则检查) 工具查错。找到 出错原因并修改原理图电路，重新查错到没有原则性错误为止。 5 设计元件封装 和原理图元件库一样，p r o t e l 也不可能提供所有元件的封装。需要时自行设计 并建立新的元件封装库。 6 设计p c b 板 确认原理图没有错误之后，开始p c b 板的绘制。首先绘出p c 确认原理图没 有错误之后，开始p c b 板的绘制。首先绘出p c b 板的轮廓，确定工艺要求( 使 用几层板等) 。然后将原理图传输到p c b 板中来，在网络表( 简单介绍来历功能) 、 设计规则和原理图的引导下布局和布线。( 设计规则检查) 工具查错。 电路设计 时另一个关键环节，它将决定该产品的实用性能，需要考虑的因素很多，不同的 电路有不同要求。 7 文档整理 对原理图、p c b 图及器件清单等文件予以保存，以便以后维护、修改。 第五章墩桥管理 、分控模块的 唾州l 乜路醴计 5 i 设备管理器的p c b 板设计 5 i 】设计原理 5 1 2 器件选择 图4 - 1 设备管理器p e b 扳设计| 芏i ( 一) 选择原则：成熟、市场占有量大、未来几年的主流产品 ( 二) f p g a 器件： e p l k 5 0 q 是a h e r a 公司的a c e x 系列的产品。它采用查找表的体系结构，具有 高效低成本的特点。该器件共有2 8 8 0 个逻辑单元。由于它的e a b s ，使得它支持 r a m ，r o m ，d u a l r a m ，f i f o 等功能。因此使得该器件在实现复杂逻辑功能和存储 功能上优势显著。a c e x 支持在线调试技术，使得开发者将主要精力投入到仿真 和设计验证上来，提升了可验证性，降低了开发成本。 ( 三) 4 8 5 驱动器件：采用m a x 4 8 5 。 5 1 3p c b 板图 幽4 - 2 设备管理器p c b 扳图 2 7 羹丁串行通讯的离敞式控制系统的设计与实现 5 2 分控模块的p c b 板设计 这旱的分控模块被设计为一个3 2 个开关量的板卡。 52 1 设计原理 5 2 2 器件选择 图43 分控模块的f c b 板原理图 ) 选择原则：成熟、市场占有量大、未来几年的主流产品 ) f p g a 器件：e p l k 5 0 q 5 2 3p c b 板图 图4 - 4 分控模块的p c b 板圈 第五章设备管理器、分控模块的硬件电路设计 5 3 光纤p c b 板设计 5 3 1 需求分析 上面设计的板卡可以满足当今的工业通讯的需求，但随着工业控制的不断发 展，分控设备的种类和数量的不断的增加，通讯所需的带宽也需要不断的增加， 可惜f p g a 引脚的极限频率有限，就拿e p l k 5 0 q 来说，它的引脚的极限频率在1 0 0 m 左右，从另一面来说，随着f p g a 频率的提高，逻辑的稳定性会下降。 另外，上面设计的板卡采用4 8 5 驱动串行总线，在总线允许的范围内，带负 载数越多，信号能传输的距离就越小；带负载数越少，信号能传输的距离就越远。 如果数据传输的波特率比较高，则分布电容对r s 4 8 5 的影响也是非常大的。所以 适用于距离比较短、负载小的应用，对于远距离的控制是不可取的。 可以预见，在不久的将来，我们将需要一种传输速率更快，传输过程更不易 被干扰的通信线路。 5 3 2 实现过程 为了解决上面第一个问题即怎样在不提高f p g a 频率的基础上提高串行总线的 带宽，必须的在原来的路线上增加串解器，这里选用了有t i 公司研发的 d s 9 2 l v l 0 2 1 芯片以及与之配套的d s 9 2 l v l 2 1 2 芯片，他们可以将1 0 位的并行数 据串行输出，而在另一边将串行数据合并成并行数据。这样，串行总线的通讯速 率可以达到原来的1 0 倍。下面是它们的常规的连接方法。 a p p l i c a t i o n 图4 - 5d s 9 2 l v l 0 2 1 、d s 9 2 l v l 2 1 2 常规连接图 从图中可以看出，中间的连接线是采用低电压差分信号线对( l v d s ) 。 基丁串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 在上面提到的一般连接中，出现了上面提到的第二个问题即如何提高抗干扰 能力。众所周知，光纤具有非常好的抗干扰能力，于是，采用光纤作为两边的连 接介质是再好不过了。这里选用的是双纤的接受和发送一体的光接发器( s f f l c ) 。 但同时出现了另一个问题，那就是从d s 9 2 l v l 0 2 1 传输出的是l v d s 差分信号， 而s f f l c 接受的却是p e c l 差分信号，于是不能直接相连，需要一些外围的电路。 下面是计算过程： ( 一) 从p e c l 到l v d s 图4 - 6p e c l 到l v d s 的电路调节图 图中所示的接口电路采用由电阻r 1 、r 2 和r 3 组成的电阻分压器。这里采用 实际调节法算出电阻值，采用图中所示的电路调节r 1 、r 2 及r 3 的电阻值。电阻 r l a 、r 2 a 及r 3 a 用来限制调节范围，以避免出现过载电流。当调节电路并用示波 器监视v a 与v b 上的信号时，调节v r l 、v r 2 与v r 3 。电路调节完以后，再测量v r i 与r l a ，得到r 1 的电阻值：测量v r 2 与r 2 a ，得到r 2 的电阻值；测量v r 3 与 r 3 a ，得到r 3 的电阻值。用较低频率的信号对电路进行调节会更加简单，频率最 好介于1 0 0 k h z 一1 0 m h z 之间，但请确认电路是否在正常频率下工作，如果需要的 话可再次调节。 最后，采用了下面图中的值 第五章设备管理器、分控模块的硬件电路设计 w 图4 7p e c l 到l v d s 电路调节图 ( 二) 从l v d s 到p e c l 采用了如下的外围电路 图4 8l v d s 到p e c l 的电路调节图 下面来谈谈p c b 步板时应该注意的问题，由于此时的l v d s 是高频的差分线路， 所以在布p c b 板时有一定的要求： ( 1 ) 只要有l v d s 信号的板最少都要有四层。l v d s 信号布在与地平面相邻 的布线层。对于四层板而言，通常可以按以下进行层排布：l v d s 信号层、地层、 电源层、其他信号层。 ( 2 ) 对于l v d s 信号，必须进行阻抗控制( 通常将差分阻抗控制在1 0 0 欧姆) 。 对于不能控制阻抗的p c b 布线必须小于5 0 0 m i l 。这样的情况主要表现在连接器上， 所以在布局时要注意将l v d s 器件放在靠近连接器处，让信号从器件出来后就经 过连接器到达另一单板。同样，让接收端也靠近连接器，这样就可以保证板上的 3 1 基- j - - 串j ? 通讯的离散式控制系统的设计与实现 噪声不会或很少耦合到差分线上。 ( 3 ) 对l v d s 信号和其它信号比如t t l 信号，最好使用不同的走线层，如果 因为设计限制必须使用同一层走线，l v d s 和”r l 的距离应该足够远，至少应该 大于3 5 倍差分线间距。 ( 4 ) 对收发器的电源和地进行滤波处理，滤波电容的位置应该尽量靠近电源 和地管脚，滤波电容的值可以参照器件手册。 ( 5 ) 对电源和地管脚与参考平面的连接应该使用短和粗的连线连接。同时使 用多点连接。 ( 6 ) 保证信号的回流路径最短，同时没有相互间的干扰。 ( 7 ) 对走线方式的选择没有限制，微带线和带状线均可，但是必须注意有良 好的参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太小，至少应该大于3 5 倍差分线间距。 ( 8 ) 对于点到点的拓扑，走线的阻抗通常控制在1 0 0 欧，但匹配电阻可以根 据实际的情况进行调整。电阻的精度最好是1 一2 。因为根据经验，1 0 的阻 抗不匹配就会产生5 的反射。 ( 9 ) 对接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量的靠近，一般应小于7 m m ， 最大不能超过1 2 r a m 。 ( 1 0 ) 使用与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线，并且使 差分线对离开集成芯片后立刻尽可能地相互靠近( 距离小于10mm ) ，这样能减 少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声： ( 1 1 ) 使差分线对的长度相互匹配以减少信号扭曲，防止引起信号间的相位 差而导致电磁辐射； ( 1 2 ) 尽量减少过孔和其它会引起线路不连续性的因素； ( 1 3 ) 避免将导致阻值不连续性的9 0 。走线，使用圆弧或4 5 。折线来代替； ( 1 4 ) 在差分线对内，两条线之间的距离应尽可能短，以保持接收器的共模 抑制能力。在印制板上，两条差分线之间的距离应尽可能保持一致，以避免差分 阻抗的不连续性。 在p c b 设计上，我们主要关心的是阻抗的控制和线长，其中线长是关键。 5 3 2p c b 板图 用串解器和光纤模块代替原来设备管理器板卡中的4 8 5 总线驱动。 3 2 第五章设祷管理器、分控楼块的删什电路设训 削4 - 9 设备管理器光纤p c b 板凹 下面的分控设备板卡设计为从光纤接受数据经过f p g a 处理后，通过4 8 5 总线输出。 图4 一1 0 分控模块光纤的p c b 扳幽 在低速的情况下，可以选用差分线对作为传输介质，他成本相对较低，如需 要高速，远距离传输选用光纤作为传输介质好它具有非常好的抗干扰能力。 基丁串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 5 3 4 芯片介绍 ( 一) d s 9 2 l v l 2 1 2 引脚定义 譬量量量 高 d 葛 一 莹量 量 量o宝 星禽盆星 爱昌星昌 r 一 吞?吞 o +i z 一器器禹高 一 寓2兰暨竺 2 垂垂垂星垂 藿 萎 鏊 萎 薹蒌重量量 萎薹羹堇壶毒藿亘藿 薹鏊量量善 图4 - 1 1d s 9 2 l v l 2 1 2 引脚定义 表5 - 1d s 9 2 l v l 2 1 2 引脚 引脚名i on o 描述 r o u to1 5 1 9 。2 4 2 8 数据输出，c m o s 电平 r c l k r f i2 数据所存沿选择，t t l 电平 r i +i5 r i6 。 串行输入，l v d s 电平 p w r d ni7 节能引脚，1 v r l 电平 l o c kol o 同步信号，c o m s 电平 r c l ko9 接受时钟 r e n08 输出使能，1 v r l 电平 d v c c i 2 1 ，2 3 数字电压 d g n di1 4 ，2 0 。2 2数字地 a v c ci 4 。l l 模拟电压 a g n di1 。1 2 ，1 3 模拟地 r e f c l ki3 参考频率 与上面配对的d s 9 2 l v l 0 2 1 芯片 第五章设备管理器、分控模块的硬件电路设计 皇巴 南 o c j 星 凸 金考 耍? 2 。 度象妻金 藿 d 星蓦ql ) 一 n 罕 譬 吞 + 怒冷简蒿简罱冠曼竺2 一 2 藿藿 墓 量 藿 萎 蠢 宫 量 誊 星 堇萎 萎 薹藿n 善善薹墓吾善善善善善茎誊 图5 - 1 2d s 9 2 l v l 0 2 1 引脚 s y n c l ，s y n c 2 为同步控制引脚，其他的参看d s 9 2 l v l 2 1 2 引脚说明。 本来串解器的设计是用来传输并行数据的，这里使用了它的另一种用法，从 f p g a 来看，仿佛串解器提供了1 0 个通信通道，每个通道又可以分时来控制多个 分控模块。 ( 二) s f f l c 说明 其中，s d 为无光检测信号。 图5 - 1 3s f f l c 引脚 基丁：串行通讯的离散式控制系统的设计与实现 第六章设备管理器的驱动设计 l i n u x 8 1 是u n i x 操作系统的一种变种，在l i n u x 下编写驱动程序的原理和思想 完全类似于其他的u n i x 系统，但它d o s 或w i n d o w 环境下的驱动程序有很大的区 别。在l i n u x 环境下设计驱动程序，思想简洁，操作方便，功能也很强大，但是支 持函数少，只能依赖k e r n e l 中的函数，有些常用的操作要自己来编写，而且调试 也不方便。 6 1l i n u x 驱动简介 6 1 1l i n u xd e v i c ed r i v e r 的概念 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统 内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样 在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一 样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能： 1 对设备初始化和释放。 2 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。 3 读取应用