（计算机系统结构专业论文）基于现场总线的工业控制系统.pdf

摘要：在企业中，动态监测是生产管理的重要工作内容，也是保证企业正常、安 全、经济运行的重要手段。在西方发达国家，自动化数据采集与控制系统已经成 为生产的配套设施。将现场信息和管理信息结合起来，通过对信息的综合处理， 形成一个意义更为广泛的综合管理系统。本文介绍了工业控制系统发展至今经历 的几个主要阶段，着重分析了现场总线控制系统的特点。本文给出了一种基于 c a n 现场总线的工业控制系统的设计，对系统的软硬件架构、各功能模块、通讯 胁议的设计与实现进行了详细说明。 关键词：现场总线；c a n ：_ - i ：业控制系统 =咖刚甜脚攀一耐 帅 一 一 一一言 一 一脚一 n 一 时 慨 一 啪 _ 堇 ， 蛐 恤 甜 咖 以硝洒喊州嘟_刚h 一 一一一一 一一一一 一 一 基一抓慧一枷一删 呕 呲 血 m m 叫 咧 | 耋 町 狐 咖一 一 一 一 一 一 一 帆 一 三； 呈| 一 趼 _ = 吾 ：至 妣 帆 啡 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 篡然竺瓣黧篡 巴 n m t d d g 阿 瞰 一 慨一一 一 一 一 一 一 一 一 1 概述 1 1 工业自动控制的应用 工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技 术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、 提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。工业控制自动化技术作为 2 0 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。 虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作 用。工业控制自动化技术是当代发展极为迅速、应用十分广泛、最引人注目的高 技术之一，也是推动新技术革命和新产业革命的核心技术。随着现代控制理论的 发展，自动控制技术已从单变量控t i l n 多变量控制，从自动调节到最优控制。现 在对自动控制的要求己不仅是保持个别变量( 如温度、转数、电压等) 的稳定， 而是要求实现多个变量的最优控制。分析与设计最优控制系统已成为现代控制理 论的基本内容。随着微型计算机的出现，特别是微型计算机应用于控制系统，为 计算机控制带来了根本性的变革。对于复杂的、分散的控制对象，由于它们往往 是同时、并行，且独立地工作，控制对象分白面又很广，因此把它们联系起束实 现分布控制是现代控制技术中的一个重要发展方向。 工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义 上，将用于工业生产过程的测量，控制和管理的计算机统称为工业控制计算机， 包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天的工业控制计算机的内涵已经 远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。因此，工业控制计算机 是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长 期稳定工作的加固计算机”，简称“工控机”。随着计算机硬件、软件技术及集成 电路技术的迅速发展，工业控制系统取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活 性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散 化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为 适应这种需要而发展起柬的。这类系统是以微型机为核心，将5 c 技术 c o m p u t e r ( 计算机技术) 、c o n t r o l ( 自动控制技术) 、c o m m u n i c a t i o n ( 通信技 术) 、c r t ( 显示技术) 和c h a n g e ( 转换技术) 紧密结合的产物。它在适应范围、 4 可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型 计算机控制系统都具有明显的优越性。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于p c - b a s e d 的工业计算机( 简称工业p c ) 的发展， 以工业p c 、i o 装置、监控装置、控制网络组成的p c - b a s e d 的自动化系统得到 了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。由于基于p c 的控制器被 证明可以像p l c 一样可靠，并且被操作和维护人员接受，所以，一个接一个的制 造商至少在部分生产中正在采用p c 控制方案。基于p c 的控制系统易于安装和使 用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，p c 控制系统维护成本更低。 1 2 工业控制系统技术纵览 1 2 1 可编程序控制器 可编程序控制器的英文为p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，在二十世纪七十至八 十年代一直简称为p c 。由于到9 0 年代，个人计算机发展起来，也简称为p c ；加 之可编程序的概念所庙盖的范围太大，所以美国a b 公司首次将可编程序控制器 定名为可编程序逻辑控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，为了方 便，仍将p l e 称为可编程序控制器。 p l c 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采 用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时， 计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类 型的机械或生产过程。 p l c 控制器本身的硬件采用积木式结构，母板上留有槽位，可以使用i 0 模 板进行扩展。p l c 中的c p u 与存储器配合，完成控制功能。它采用快速的巡回扫 描周期，一般为0 1 0 2 秒，更快的则选用5 0 毫秒或更小的消灭周期。它是一 个数字采样控制系统。为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似 继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块( 或子程序) ，称 为指令系统，固化在存贮器r o m 中，用户在编制应用程序时可以调用。 长期以来，p l c 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动 5 化控制设备提供非常可靠的控制方案，与d c s 和工业p c 形成了三足鼎立之势。 微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的主要方向。随着软p l c ( s o f tp l c ) 控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软p l c 组态软件和 p c b a s e d 控制的市场份额将逐步得到增长。当前，过程控制领域最大的发展趋 势之一就是e t h e r n e t 技术的扩展，p l c 也不例外。现在越来越多的p l c 供应商 开始提供e t h e r n e t 接口。p l c 将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于 工业p c 的控制系统。 1 2 2 集散控制系统 集散控制系统( 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 ) 问世于1 9 7 5 年，在八、 九十年代占据了主导地位。d c s 一般由五部份组成：控制器、i 0 板、操作站、 通讯网络和图形及编程软件。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 c s 系统之问以及 d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n 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。 小型化、多样化、p c 化和开放性是未来d c s 发展的主要方向。目的小型d c s 所占有的市场，己逐步与p l c 、工业p c 、f c s 共享。今后小型d c s 可能首先与这 三种系统融合，而且“软d c s ”技术将首先在小型d c s 中得到发展。p c b a s e d 控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制，各d c s 厂商也将纷纷推出基于工 业p c 的小型d c s 系统。开放性的d c s 系统将同时向上和向下双向延伸，使束自 生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息技术与控制技术的无缝 连接，向测控管一体化方向发展。 6 1 2 3 现场总线控制系统 现场总线( f l e l db u s ) 是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的 自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线具有 开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的 高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。现场总线使测控设备具备了 数字计算和数字通信能力，可以将p i d 控制彻底分散到现场设备( f i e l dd e v l c e ) 中，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。基 于现场总线的现场总线控制系统( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 是全分散、 全数字化、全丌放和可互操作的新一代生产过程自动化系统。p l c 和工控机采用 现场总线后可方便地作为i o 站和监控站连接在d c s 系统中。 与传统的p l c 点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优 势。其特点包括： 具有较高的性能价格比，系统综合成本及一次性安装费用减少4 0 。由 于导线、连接附件的大幅度的减少，使原来的几百根，甚至几千根控制电缆减少 到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少，所以设计、 安装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改造的停工时间减少6 0 。原来 繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行；标准接插件快速、简便的安装，耗费 的人力、物力大量减少；强大的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量大幅 减少。 系统性能大幅度提高。可靠的数据传输，快速的数据响应，强大的抗干 扰能力，使控制系统的档次跨越了一个台阶。许多总线在通讯介质、信息检验、 信息纠错、重复地址检测等方面都有严格的规定，从而确保总线通讯快速、完全 可靠的进行。 系统具有强大的自动诊断、故障显示功能。诊断包括总线节点的通讯故 障、电源故障，以及现场装置和连接件的断路、短路故障，从而迅速地发现系统 的各种故障位置和状态。 采用数字信号通讯，有效提高系统的测量和控制精度。各种开关量、模 拟量信号就近转变为数字信号，避免了信号的衰减和变形。 总线节点具有i p 6 7 的防护等级，具有防水、防尘、抗振动的特性。可 7 以直接安装于工业设备上，大量减少了现场接线箱，使系统可靠性提高。 本质安全型总线。更加适合直接安装于石油、化工等危险防爆场所，减 少系统发生危险的可能性。 由于可以将p i d 功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。 目前可以从d c s 的每秒调节2 3 次增加到每秒调节1 0 2 0 次，从而改善了调节 性能。 由于免除了主机入口处的瓶颈现象，既可以提高系统的安全性和可靠 性，也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益。 组态简单，安装、运行、维护简便。 用户可以自己择优选择，达到最佳集成。 通过现场总线可以给工业自动化生产带来如下益处： 首先，提高了设备的互操作性，即使不同厂家的多个设备可以工作集成在一 个系统中，或者任意选择不同厂家的设备束互相替换，而没有任何功能的缺失。 其次，降低了设备的安装和维护费用。f c s 可以实现数字化终端功能模块， 具有了智能信息处理功能，并且简化了与控制计算机的连线，极大降低了设备的 安装费用。同时，现场总线将扩大操作人员观察整个过程的视角，可以方便和有 效地进行维护和过程管理，加快查找和消除故障的速度，甚至实现在线诊断。 最后，随着控制功能从d c s 转移到单独的控制回路，由于就地控制更快，更 准确，系统的集成度和可靠性也增加了。这样就改进了整个系统的性能。由于现 场总线使得更容易从现场获取设备信息，工厂操作员和管理人员能够对其过程进 行更严格的控制，从而改进性能、增加过程的可用性和一致性。 虽然目前f c s 发展很快，但是缺乏一个统一的现场总线标准。各厂家纷纷制 定自己的总线标准，例如c a n ，p r o f i b u s ，d e v i c en e t 等。尽快统一总线标准， 使得不同厂家生产的设备能够互连，是一个急需解决的问题。但无论如何，采用 现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进现场仪表的智能化、控制功 能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统的技术发展趋势。 8 2 背景知识 2 1a r m 7 2 0 t a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自 不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入 市场。目前，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。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器 提出了挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目勃流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 a 刚架构的微处理器一般具有如下特点： 1 、r i s c 型处理器结构 2 、拥有多处理器状态模式 3 、支持t h u m b ( 1 6 位) 指令集，能很好的兼容8 1 6 位器件； 9 4 、支持嵌入式在线仿真调试 5 、灵活方便的接口 6 、低电压、低功耗的设计 a p o “7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类应用。a r m 7 2 0 t 处理器核是在a r m 7 t d m i 处理器内核基础上 增加了8 k b 的指令和数据c a c h e ，支持段式和页式内存管理的删u 、写缓冲器以 及_ m b a 等。 a m b a a h b b u si n u e r f s 2 2c a n 总线 图1a r m 7 2 0 t 系统结构框图 , t a gd e b u g 舯t 8 a c e e t mi n t e r f a c e c o p c o c e s s o r m t e d a c e c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，主要用于各种设备检测及 控制的一种现场总线。c a n 最初是由德国b o s c h 公司为汽车监测和控制而设计的， 目前c a n 已逐步应用到其它工业控制中，现已成为i s 0 - 1 1 8 9 8 国际标准。c a n 总 线具有独特的设计思想、良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。 l o 具体来讲，c a n 总线具有如下特点： 结构简单，只有2 根线与外部相连，且内部含有错误探测和管理模块。 通信方式灵活。可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意 时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从。 可以点对点、点对多点及全局广播方式发送和接收数据。 网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 c a n 总线通信格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8 个，可满足通常 工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字 节也不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。 采用非破坏性总线仲裁技术。当2 个节点同时向总线上发送数据时，优 先级低的节点主动停止数掘发送，而优先级高的节点可不受影响地继 续传输数据。这大大地节省了总线仲裁冲突时间，在网络负载很重的情 况下也不会出现网络瘫痪。 直接通信距离最大可达l o k m ( 速率5 k b s 以下) ，最高通信速率可达 1 m b s ( 此时距离最长为4 0 m ) ；节点数可达1 1 0 个。 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。 c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完 成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、 优先级判别等多项工作。 c a n 总线采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信 的可靠性。 c a n 总线的以上特点，为工业控制系统中高可靠性的数掘传送提供了一种新 的解决方案。其在国外工业控制领域已经有了广泛的应用，现国内的许多工业 控制领域也开始使用基于c a n 的现场总线。c a n 总线已成为最有发展前途的4 种 现场总线之一。 图2 一种c a n 总线的物理电气组织结构 2 3 嵌入式l i n u x 2 3 1l i n u x 简介 l i n u x 是操作系统内核的名称。由芬兰赫尔辛基大学的学生l i n u sb t o r v a l d s 于1 9 9 1 年开始编写程序并将其0 0 2 版本在互联网的新闻组上发布， 并与互联网上的志愿开发者协同工作，在1 9 9 4 年发确了标志性的1 0 版本。 通常一个l i n u x 操作系统包含l i n u x 内核，使用工具和开发源代码程序。 l i n u x 的一个最大特点是它的价格，通常是免费的，l l n u x 内核的版权受g n u ( 自 由软件基金会组织) 通用公共许可证保护( g p l ) 。l i n u x 志愿开发协会编写了很 多实用程序和工具，这些程序和工具可以移植到其他的发布版本。这个协会的宗 旨是共享和改善应用程序。由于这些源代码可以永久使用，其他人为了提高软件 的质量，可以对软件进行分析并优化。l i n u x 有着广泛的用途，包括网络，软件开 发，用户平台等等，l i n u x 被认为是一种高性能，低开支的可以替换其他昂贵操作 系统的系统。 l i n u x 最初为i n t e l3 8 6 体系结构丌发，由于它有卓越的可移植性，很多硬 件厂商很容易使用l i n u x 柬支持他们的平台。目前，它已经可以运行在p c ，p c 服务器，u n i x 服务器，中型机，大型计算机上，几乎涵盖了所有的计算机平台。 l i n u x 是一种类似于u n i x 的操作系统，是一个完全免费的操作系统。说它 是u n i x 的“克隆”并不准确，因为它的内核代码是全部从头写的，只是它符合 p o s i x1 0 0 3 1 标准，且u n i x 中所有的命令它都有，同u n i x 十分相似。 l i n u x 有许多的发御版本，由于l i n u x 的内核源代码和大量的l i n u x 应用程 序可以自由获得，很多公司开发属于自己的l i n u x 发行版本。每个发行版本都有 自己的特性，其中一些还可以进行调整以适合特定类型的计算机系统。目前全球 有超过1 0 0 种以上的l i n u x 发行版本。 2 3 2 嵌入式l i n u x 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定 可靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。尽 管从八十年代末丌始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k s 、 p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w sc e 。但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂 的价格使许多开发低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限制 了开发者的积极性。还有，对上层应用丌发者而言，嵌入式系统需要的是一套高 度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操 作系统。因为l i n u x 的丌放性，许多人认为l i n u x 非常适合多数i n t e r n e t 设备。 他们认为l i n u x 可以支持不同的设备，支持不同的配置。l i n u x 对厂商不偏不倚 而且成本极低，能够很快成为用于各种设备的操作系统。如今，业界已经达成共 识：即嵌入式l i n u x 是大势所趋，其巨大的市场潜力与酝酿的无限商机必然会吸 引众多的厂商进入这一领域。 嵌入式操作系统主要有v x w o r k s ，p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c ，q n x ，e c o s ， l y n x 等，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持， 很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很昂贵，一般人难以接 受。微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时 性能，而且难以移植。现在需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所 必须特性的操作系统。 l l n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是一个和u n i x 相 似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计 算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r c ，b l i p s ，p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有 的大部分芯片。程序源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证 ( g n og e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，这样，开发人员可以对操作系统进行定 制，再也不必担心像m sw i n d o w s 操作系统中”后门”的威胁。同时由于有g p l 的 控制。大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 用户遇到问题 时可以通过i n t e r n e t 向成千上万的l i n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办 法解决。l i n u x 带有u m x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统 的应用软件都已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可 选择窗口管理器( xw i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、g + + 等也可以很容易 得到。不但成熟完善、而且使用方便。而且i n t e r n e t 上自由软件的资源也十分 的丰富，进一步降低了丌发的成本，缩短了产品上市的时间。 当然，将l i n u x 用于嵌入式系统，一般也不是原封不动的照搬，而是充分考 虑各种具体嵌入式系统的特点，有针对性的对l i n u x 内核加以裁剪、修改和补充， 主要包括以下几个方面： 将l i n u x 内核移植到一些典型的微控制器或s o c 芯片上并加以必要的补 充： 对l n u x 内核代码进行必要的裁剪； 添加系统中必须的设备驱动； 根据系统对实时性的要求，采取有针对性的策略。例如按优先级调度、 提高时钟精度、实现可剥夺调度等。 1 4 3 一种分布式工业控制计算系统 3 1 项目概述 本系统是采用目前工业控制领域中比较流行的现场总线技术的现场总线控 制系统。现场总线系统( f c s ) 是应用在生产现场，在微机化测量控制设备间实 现双向串行通信多节点的数字通信的系统，它把各个分散的测控设备转换为网络 节点，以现场总线为纽带把它们连接成可以互相通信，共同完成任务的网络化控 制系统，适应了工业控制系统的分散化，网络化和智能化的要求。 目前比较流行的现场总线协议有w o r l d f i p 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 和c a n 等。 w o r l d f i p 总线实现了o s i 参考模型的1 ，2 ，7 层服务，提供变量服务、消息服 务和网络管理服务。它是一种数据流总线。p r o f i b u s 总线也包括了1 ，2 ，7 层 服务，p r o f i b u s - f m s 把第3 层到第6 层服务放在底层接口完成。p r o f i b u s f m s p a 属于数据流总线，p r o f i b u s - d p 属于字节总线。l o n w o r k s 使用的l o n t a l k 协议实 现了o s i 参考模型全部七层服务，并支持全面的网络管理，反映了它是一种折中， 平衡的现场总线，但也因此会在有些应用场合增加了网络的负担，影响了通信速 度。c a n 总线只规定了物理层和数据链路层，用户在应用中要自己定义通信协议。 有突出的灵活性，有成本优势和速度优势，但一般应用属于位总线，不适合大流 量通信。 在实际应用中，我们选择c a n 总线作为系统中的现场总线。c a n 总线属于总 线型串行通信网络，采用多主方式，当网络上多个节点同时发送信息时，优先级 低的节点会主动退出发送，优先级高的节点不受影响的继续传送，大大节省了总 线的仲裁时问，c a n 节点在错误严重的情况下，有自动关闭总线的功能。这种协 议具有突出的可靠性，灵活性，可以有效的避免总线碰撞。 与其他总线相比，c a n 总线有如下特点： 它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行 通信。 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达i m b p s 。 c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数掘链路层功能，可完成 对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别 等项工作。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数 据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制， 数据块的杯识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不 同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接受到相同的数 据，这一点在分步式控制中非常重要。 数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令，工作状态 及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通 信的实时性。 c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的 可靠性。c a n 总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业 设备测控单元互连。因此倍受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之 一。而且，c a n 总线没有任何组织来管理( 当然d e v i c e n e t 是基于c a n 的) ，系 统开发成本极低，特别适用于只有i o 的系统。 系统主要分为两个部分：主控平台和现场设备，两者之间使用c a n 总线进行 通讯。主控平台使用现代公司出品的i 删$ 3 0 c 7 2 0 2 处理器，运行l i n u x 操作系统， 使用图形化的人机交互界面。用户可以通过小键盘或是触摸屏进行操作。主控平 台上同时还拥有以太网接口，能与在监控室中进行远程监控的计算机进行交互， 管理人员可以对整个系统进行远程控制。现场设备使用摩托罗拉公司生产的 m 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 单片机，使用由我实验室自行研发的f d c x 0 8 实时多任务操作系统。 系统的原理框图如下图所示： 1 6 。州总线 一 现场设备 = f 1 6 路a d 输入 、u 一 2 路d ，a 输出 叫以太网 6 4 0 * 4 8 0 8 路开关毒 输入1 1 丌液晶屏 8 路开关封输出 ia z 6 0 i 剖矩阵键盘 2 路继电器输出 1 路频率输出 _ jh i v【s f 爿触摸屏 1 路s c r 输出 7 2 2 ir 。困 il i n u ；操l i 作系统i 现场设备阻 爿打印机 l n 图3 系统原理框图 本系统的主要功能与特点如下： 1 高精度，快速采样周期。数掘显示精度不低于0 1 。采样周期每个通道 2 0 m s l o o m s 。 2 高分辨率，彩色t f t 液晶显示。 3 多种显示方式。包括实时趋势、数值显示、柱状图、工艺流程图等。 4 具有网络通讯功能。 5 支持多种输入形式：热电阻、热电偶、标准模拟电压电流、开关量等。 6 支持多种输出形式：开关量、标准电压电流、s s r 、s c r 等。 7 支持定值p i d 控制、程序p i d 控制、远程模拟量转发、报警输出等。 8 支持i d e 硬盘，大容量存储历史数据。 1 7 3 2 主控平台系统设计与实现 3 2 1 硬件架构 主控平台采用f 珊$ 3 0 c 7 2 0 2 处理器，主板上拥有1 6 m bf l a s hr o m ，3 2 ms d r a m ， c s 8 9 0 0 a 以太网控制芯片和4 x 4 矩阵键盘，配有6 4 0 x 4 8 0 高分辨率1 6 位色t f t 液晶屏和触摸屏。主板上还有1 个u a r t 接口和1 个c a n 总线接口。另外，我们 处理器的外部总线上扩展出了一个i d e 接口。平台的硬件架构图如下所示： 6 4 0 x 4 8 0 1 6 位色液晶屏 4 x 4 矩阵键盘 2 8 f 6 4 0 j 3 a 2 1 6 m bf l a s hr o m c s 8 9 0 0 a 以太网控制器 触摸屏 r s 2 3 2 串口 l c d 控制器 a d 控制器 u a i 。 键盘控 制器 静态存储 器接口 s l 控制器 d r a m 控制器 c a n 控制器 h y 5 7 、，5 6 1 6 2 0 u 3 2 m bs d r a m 图4 主控平台硬件架构图 3 2 2h m s 3 0 c 7 2 0 2 简介 m e 硬盘 c a n 总线 i 删$ 3 0 c 7 2 0 2 是由现代公司生产的基于a r m 7 2 0 t 内核的3 2 位嵌入式处理器。 h m s 3 0 c 7 2 0 2 由a r m 7 2 0 t 内核和其他一些外围接口器件组成，具有高性能低功耗 的特点，片上资源非常丰富，具有极高的集成度，支持工业级应用，非常适用于 嵌入式系统应用。该处理器支持f l a s hm e m o r y ，s r a m ，s d r a m ，音频输出，l c d ， 触摸屏，8 8 矩阵键盘， i r d a ， 删c s m c ，p s 2 口，c a n 接口和u a r t 接口。 主要应用于p d a ，智能手机( s m a r tp h o n e ) 和汽车导航系统( c a rn a v i g a t i o n s y s t e m ，c n s ) 。 1 8 3 2 4 软件架构 图5l t m $ 3 0 c 7 2 0 2 处理器的框图 主控平台运行l i n u x 操作系统，在操作系统上运行可视化图形用户界面系统 ( g u is y s t e m ) ，以及一些相关的服务，如c a n 总线服务，网络通讯服务，定时器 服务等。同时，基于g u is y s t e m 还需开发一套可视化控件库。运行于最上层的 则是主控平台应用软件。主控平台系统的层次结构如下所示： 主控平台应用软件 可视控件库 c a ns 盯v l n e t w o r ks e r v i c e 砸m e rs e r v i c eg u is y s t e m l i n u x o s 硬件平台 图6 系统层次结构图 主控平台应用软件的主要功能有： 提供可视化图形人机界面，用户可通过触摸屏或者键盘进行操作； 1 9 与现场设备通过c a n 总线进行通讯； 对现场设备上的各种通道进行设置： 数据实时显示，包括实时曲线，列表，大数字等显示方式； 历史数据查询与显示，包括曲线显示与列表显示； 历史数据存储； 远程控制等。 根据上述功能，我们将整个应用软件划分为若干个相对独立的模块。主控平 台上的控制软件模块图如下所示： 图7 系统软件框图 2 0 3 3 现场设备 3 3 1 硬件架构 现场设备硬件以f r e e s c a l e 的m 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 为核心控制芯片，由于a z 6 0 含有c a n 控制器，所以可以非常方便的连接到c a n 总线上。a d 控制芯片和d a 控 制芯片通过s p i 总线与a z 6 0 相连，并用3 个i o 口作为他们的片选信号。我们选 用u 0 s 7 8 4 1 作为a d 控制器，它可以控制三路a d ；选用m a x 5 1 0 4 作为d a 控制器， 它可以控制2 路d a 。开关量输入输出可以直接接到g p i o 。而其他输出( 继电器 输出，频率输出，s c r 输出) 由g p i o 与他们的控制器相连实现对他们的控制。 图8 现场设备硬件架构图 3 3 2m 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 简介 m 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 是摩托罗拉公司生产的一款8 位微控制器。a z 6 0 具有高性能 的m c 6 8 h c 0 8 结构、与m 6 8 0 5 m 1 4 6 8 0 5 以及m c 6 8 h c 0 5 系列单片机兼容。6 8 h c 0 8 系列微控制器拥有下列特点：1 6 位寻址模式、1 6 位变址寄存器和栈指针、存储 器到存储器的数据传输、快速8 位乘8 位指令、快速1 6 位除以8 位指令、b c d 指 令、控制器应用程序代码的优化、支持c 语言。此外a z 6 0 拥有8 4 m h z 内部总线 频率、6 0 k bc j 速存储器( 具有在线编程能力和保密功能) 、1 k be e p r o m 、2 k b 内 部r a m 、时钟发生器模块、串行通信接口模块( s c i ) 和串行外围接口模块( s p i ) 、 2 1 1 5 路8 位a i d 转换器、三个定时器模块( t i m a 、t i m b 、t i m 模块) 、系统保护特 性( 微控制器工作正常复位、低电压检测复位、非法指令检测复位、非法地址检 测复位) 、w a i t s t o p 低功耗模式、上电复位以及外部复位管脚、5 位键盘中断模 式、能够实现c a n 2 o b 协议的c a n 控制器模块。 3 3 3 软件架构 图9m c 6 8 h c 9 0 8 a z 6 0 微控制器的框图 现场设备使用由我实验室自行研发的f d c x 0 8 实时多任务操作系统。f d c x 0 8 操作系统支持多至8 个任务同时运行，采用优先级任务调度方法，支持抢先调度。 支持任务间通信，具有邮局通信和信号量控制功能。支持c a n 和l i n 通讯，每个 任务即可与c a n 总线上各节点的任何指定任务进行通讯，也可与c a n 节点上扩展 的l i n 节点的任何任务进行通讯。具有定时时钟功能，可为各个任务提供定时和 超时计数服务。支持m 6 8 h c 0 8 的各种中断，为各个任务提供中断处理服务。用户 接口简单，通过系统调用为任务服务。该操作系统具有以下特点： 体积小。这是其他现有的操作系统所不具有的特点。在整个系统基本完成的 情况下编译完的结果是整个代码只有2 k 多，而u c o s 至少也需要6 k ，其他的操 作系统更不用说。 功能全。这个操作系统虽然是一个基于c a n 和l i n 总线的操作系统，体积也 只有2 k ，但是所有操作系统应该具有的功能却是应有尽有。使得系统可以应用 于很多不同的场合。 实时性强，系统开销小。由于本身对操作系统的要求比较简单，该操作系统 最大程度的减少系统的开销，将任务调度和系统调用的时间缩至最小。因此，当 我们把它应用在控制系统，这种要求通信实时性很高的系统上时，效果就十分的 明显。 用户接口简单，通过系统调用为任务服务。由于有了操作系统，用户在系统 上开发自己的应用程序时，就方便了很多，不需要考虑太多的硬件和系统的调度， 大大缩短了研发时间，节约了开发成本。 下图为现场设备的软件结构图。 图1 0 现场设备的软件结构 系统任务为最低优先级，主要完成c a n 通信，报警以及系统检验任务；输入 任务根据各个输入的采样周期，定时的采样输入值并送给指定控制任务；每个控 制任务代表一个控制通道，根掘输入值和控制算法得到输出值，并送给输出任务； 输出任务根据设定将控制任务算出的输出值，通过特定的输出方式输出。 控制任务使用p i d 算法根据输入值控制输出。p i d 算法的各种参数可由用户 在主控机上设置，也可由a z 6 0 按自适应算法自动得出。它支持各种p i d 的变形 算法，如微分先行，积分分离等，并且还具有程序预设定分段p i d 控制功能。 输入任务定时运行，并通过信号量使得在到达采样时间时，输入任务、控制 任务和输入任务连续运行。由于设霄参数和进行控制不能同时进行，所以，用信 号量互斥使得系统任务和输入任务不能同时进行。 系统启动以后，根据用户通过上位机的设定，系统定时进行a d 采样和读取 开关量，如果需要得到虚拟输入( 对于需要测量多个传感器参数经过计算才能得 到实际值的物理量，比如流量，我们需要单独处理，因此我们把这种输入称为虚 拟输入) ，则将需要的采样值送入虚拟输入任务，然后将各个控制任务需要的输 入值送给该任务，经过用户设定的控制算法得到输出值，按照用户设定的输出方 式输出，并将各种数据以及结果送给上位机。如果出现异常情况，则报警。 3 3 4p i d 控制原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当 被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确 定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象， 或不能通过有效的测量手段束获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术。p i d 控 制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积 分、微分计算出控制量进行控制的。 1 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例调节器的微分方程为： y k ，p ( f ) 式中：y 为调节器输出；k p 为比例系数；e ( t ) 为调节器输入偏差。由上式可以 看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。 2 积分( i ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成j 下比关系。对一个自 动控制系统，如果在进入稳念后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差 的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分 项对误差取决于时间的积分，随着时问的增加，积分项会增大。这样，即便误差 很小，积分项也会随着时问的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差 进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分( p i ) 控制器，可以使系统在进入稳 态后无稳态误差。积分方程为： t j1fe(t)aty薯j ， 式中：t 。是积分时间常数，它表示积分速度的大小，t ，越大，积分速度越慢，积 分作用越弱。 3 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成 正比关系。微分调节器的微分方程为： y 掣 式中：l 是微分时间常数。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是 由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后