（轮机工程专业论文）mscis接口控制系统通信卡、控制卡设计与驱动开发.pdf

武汉理工大学硕l 学位论文 摘要 船舶轮机仿真i i 1 练器是培养现代化船员的重要手段。接v i 控制系统是船 舶轮机仿真训练器的核心组成部分，主要负责系统数据的采集与传输，是仿 真对象模型与操作、显示设备信息交互的桥梁。 m s c i s ( m a r i n es i m u l a t i o n & c o n t r o li n t e r f a c es y s t e m ，轮机仿真与控制 接口系统) 是为新一代船舶轮机仿真训练器开发研制的一套分布式智能i 0 接口控制系统，控制着仿真系统的通信计算机及控制盘台间变量的转换与传 输。m s c t s 接口系统采用分布式体系结构，具有管理集中、功能分散、负荷 分散、故障分散和易于扩展的特点。m s c i s 接口系统由一台通信计算机和若 干个接口机箱组成，通过r s 一4 8 5 或者c a n 总线相连。通信计算机是整个控 制网络的管理者，负责配置和管理通信链路中各个i o 接口机箱的运行；接 口机箱负责机箱内所有功能板卡上输入输出通道的控制和通信管理。各功能 板卡之间以及各i o 通路之间均独立工作，某一个单元的故障不会影响其它 单元或者整个系统的正常运行。 m s c i s 接口系统的研制工作主要包括两大部分：系统硬件板卡( 包括通 信卡、控制卡、模拟量输入卡、模拟量输出卡和数字量输入输出卡) 的研制 和通信计算机软件研制。本文是在m s c i s 接口系统通信卡、控制卡和系统 驱动、测试程序研制的基础上完成的。研制工作和论文主要包括三个方面的 内容：通信卡的研制，控制卡的研制和通信计算机软件的研制。 通信卡研制部分的主要内容包括复位电路的设计，共享r a m 的实现与 控制，地址空间的分配以及板上e p r o m 程序设计等。具体过程包括设计通 信卡的原理图；设计和优化印刷电路板图；硬件制作和调试；编写及调试 e p r o m 程序：设计及烧写g a l 器件逻辑等。控制卡研制部分的主要内容包 括并行机箱内总线的定义与控制，系统寻址空间分配，g a l 器件应用，控 制卡e p r o m 程序设计等。具体过程与通信卡研制基本相同。通信计算机软 件研制主要包括系统驱动程序和系统测试程序研制。具体过程包括设计端【_ ：| 操作d l l ，利用d l l 的嵌套设计系统驱动模块，系统测试程序的设计，以 及m s c i s 接口系统软、硬件的联合调试，通信链路硬、软件测试与优化等。 武汉理工大学硕士学位论文 m s c i s 接口系统的成功研制提高了我校自主开发船舶仿真训练器接口 系统的研发能力，降低了w m s 系列仿真器的硬件成本，为实现整个仿真系 统自主化研制跨出了重要的一步，具有较大的经济意义和社会意义。 关键字：m s c i s 接口系统通信卡控制卡驱动程序测试程序 i i 武汉理一 = 人学硕士学位论文 a b s t r a c t m a r i n ee n g i n es i m u l a t o ri sam o s t i m p o r t a n tw a y t ot r a i nm o d e r ns e a f a r e r s ， a n dt h ei n t e r f a c ec o n t r o ls y s t e mi sak e r n e lp a r to fm a r i n ee n g i n es i m u l a t o r t h e i n t e r f a c ec o n t r o ls y s t e mt a k e st h ec h a r g eo fd a t ac o l l e c t i n ga n dt r a n s m i s s i o n ， l i k eac o m m u n i c a t i o nb r i d g eb e t w e e nt h em o d e la n dt h eo p e r a t i n go ri n d i c a t i n g e q u i p m e n t s m s c i s ( m a r i n es i m u l a t i o n & c o n t r o li n t e r f a c e s y s t e m ) i s as e to f d i s t r i b u t e d i n t e l l i g e n t i oi n t e r f a c ec o n t r o l s y s t e md e s i g n e d f o rn e wm a r i n e e n g i n e s i m u l a t o r s i tc o n t r o l st h ev a r i a b l e s c o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n b e t w e e nt h ec o m m u n i c a t i o nc o m p u t e ro ft h es i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h ec o n t r o l p a n e l s w i t hd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，m s c i sp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f c e n t r a l i z a t i o no fi t m a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t i o no fi t f u n c t i o n s ，b u r t h e na n d m a l f u n c t i o n s m s c i si sc o m p o s e do fo n ec o m m u n i c a t i o nc o m p u t e ra n ds e v e r a l i oi n t e r f a c ec a r d sc o n t a i n e r st h a tc o n n e c tt h r o u g hr s - 4 8 5o rc a n b u s a st h e m a n a g e ro ft h ew h o l en e t ，t h e c o m m u n i c a t i o nc o m p u t e ri si n c h a r g e o ft h e c o n f i ga n dc o n t r o lo f a l lt h ec a r d sc o n t a i n e r si no n ec o m m u n i c a t i o nc h a i n t h e c a r d sc o n t a i n e r sm a n a g ea n dc o n t r o lt h ei 0c h a n n e l so nt h ef u n c t i o n a lc a r d s a l lt h ef u n c t i o n a lc a r d sa n dc h a n n e l sw o r k i n d e p e n d e n t l y ，s o t h a tt h e m a l f u n c t i o no fo n eu n i tw i l ln o ti m p a c tt h eo t h e r s t h ed e v e l o p m e n to fm s c i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt w op a r t s ：t h e c a r d sa n dt h es o f t w a r er u n n i n go nt h ec o m m u n i c a t i o nc o m p u t e r t h e r ea r ef i v e t y p e so fc a r d s ，c o m m u n i c a t i o nc a r d ，c o n t r o lc a r d ，a n a l o go u t p u tc a r d ，a n a l o g i n p u tc a r da n dd i g i t a li n p u t o u t p u tc a r d t h i st h e s i si sa c c o m p l i s h e do nt h eb a s e o ft h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nc a r d ，c o n t r o lc a r d ，s y s t e md r i v e ra n dt e s t p r o g r a m t h ed e v e l o p m e n ta n dt h e t h e s i sc o n s i s to ft h r e e p a r t s a sf o l l o w s ： d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n c a r d ，d e v e l o p m e n t o fc o n t r o lc a r da n d d e v e l o p m e n to f t h es o f t w a r er u n n i n go nt h ec o m m u n i c a t i o n c o m p u t e r t h e p a r to fc o m m u n i c a t i o nc a r dd e v e l o p m e n ti sm a i n l yc o m p o s e do ft h e i i i 武汉理1 _ = 人学硕士学位 仑文 d e s i g n o fr e s e t c i r c u i t ，t h ei m p l e m e n t a n dc o n t r o lo fs h a r i n gr a m ，t h e a s s i g n a t i o no f a d d r e s sa n dt h ed e s i g no fe p r o mp r o g r a m t h ec o n c r e t es t e p s i n c l u d et h ed e s i g no fs c h e m a t i c ，t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fp r i n t e dc i r c u i t h o a r d ，t h em a n u f a c t u r ea n dd e b u g g i n go fh a r d w a r e ，t h ep r o g r a ma n dd e b u g g i n g o fe p r o ms o f t w a r e ，t h ed e s i g na n de m b e d d i n gg a ld e v i c e s t h ep a r to f c o n t r o lc a r dd e v e l o p m e n tm a i n l yc o n s i s t so ft h ed e f i n i t i o na n dc o m p l e t i o no f p a r a l l e l b u si n s i d et h ec a r d s c o n t a i n e r ，t h e a s s i g n a t i o n o f a d d r e s s ，t h e a p p l i c a t i o n s o fg a ld e v i c e sa n dt h e p r o g r a m a n d d e b u g g i n g o fe p r o m s o f t w a r e t h ed e t a i l e ds t e p sa r es i m i l a rt ot h a to ft h ec o m m u n i c a t i o nc a r d t h e d e v e l o p m e n to fs o f t w a r er u n n i n go nt h ec o m m u n i c a t i o nc o m p u t e ri n c l u d e st h e d e v e l o p m e n to fs y s t e md r i v e ra n d t h ed e v e l o p m e n to f s y s t e mt e s tp r o g r a m t h e s p e c i f i cs t e p si n c l u d et h ed e s i g no fp o r t o p e r a t i n gd l l ，t h er e a l i z a t i o no f d r i v e r m o d u l ev i ad i 。ln e s t i n g ，t h ed e s i g no f s y s t e m t e s tp r o g r a m ，t h ej o i n td e b u g g i n g o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h et e s ta n do p t i m i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nc h a i n t h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o fm s c i se n h a n c e st h e s e l f _ d e v e l o p i n g a b i l i t y f o rm a r i n ee n g i n e s i m u l a t o r ，l o w e r st h ec o s to fw m sm a r i n ee n g i n e s i m u l a t o r ，o b t a i n sf i n ee c o n o m i c a la n ds o c i a le f f e c t s i ti sas i g n i f i c a n ts t e pt o d e v e l o pt h ee n t i r es i m u l a t o rs y s t e mi n d e p e n d e n t l y ， k e y w o r d s ：m s c i s d r i v e r c o m m u n i c a t i o nc a r dc o n t r o lc a r d t e s tp r o g r a m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章序论 1 。1 选题背景及意义【1 】， 2 】 仿真( s i m u l a t i o n ) 是人类认识世界、研究世界、改造世界的一种重要 手段，很早以前就被人们所采用。但严格地讲，只有在上世纪4 0 年代末计 算机的问世，为建立模型及对模型的实验提供了强有力的支持，仿真技术才 获得了迅速的发展并逐步形成为一一门独立的学科。随着现代电子技术的高速 发展和计算机信息技术的广泛应用，以计算机为核心，操作控制盘台为基础 所构成的各种仿真训练器，现今已成为当今重大生产或过程控制设备运行人 员上岗操作、监控、养护训练的重要手段。仿真训练器具有传统训练方法所 无法比拟的安全性能高，经济效益好，直观性强等特点，因此在国防、核能、 航空、航天、航海、冶金、电力等诸多领域广泛使用。 随着科学技术的发展，船舶工业以日新月异之势不断向前发展，从2 ( ) 世纪6 0 年代中期开始，机舱实现了全面自动化。从2 0 世纪7 0 年代末、8 ( ) 年代初以来，在轮机自动化方面，普遍采用了计算机分散控制，把自动化 机舱推向了一个崭新的阶段。自动化机舱是机舱内各种自动控制装置的总 和，这些自动控制装置能部分或绝大部分代替轮机管理人员并对机舱内各 运行参数进行自动控制、监视、显示、已录和报警，以及对主要机器没备 进行自动操作。自动化无人值班机舱不仅改善了轮机管理人员的工作条件， 更重要的是增强了设备运行的可靠性、安全性和经济性，对降低船舶运行 成本，提高船舶技术管理水平具有十分重要的意义。但另一方面，自动化 无人值班机舱对轮机管理人员的技术素质、管理水平提出了更高要求，他 们不但要有扎实的理论基础知识，更应具备较强的综合分析判断和应变处 理能力。为适应现代轮机管理工程的需要，培养高水准的轮机管理人才， 轮机仿真训练器应运而生。利用计算机仿真技术，在校园内展现船舶的实 时运行状态，为学员提供各种操作训练。经1 9 9 5 年修订的s t c w 公约19 7 8 年海员培训发证和值班标准国际公约关于高级船员的适任标准，明确提 出了各类模拟器培训要求。 武汉理工人学硕士学位论文 世界上有较多公司和科研、教学机构都自行研制了轮机仿真模拟器， 如国外的挪控、t r a n s a s ，国内的武汉理工大学、大连海事大学等。我校系 统仿真与控制中心自行研制的w m s 系列远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机 系统的仿真训练器，它由现场设备、i o 接口系统、计算机设各以及通讯设 备组成。w m s 系列轮机模拟器在国内得到了广泛应用，享有很高的声誉，但 也面临升级和换代的压力。轮机模拟器软件系统是基于u n i x 平台的，训练 员需要先熟悉u n i x 系统才能承担教学任务。开发出基于w i n d o w s 平台的软 件系统，是必然趋势。智能化分布式输入输出接口系统是采用外购的i o 接口系统设备。该i o 接口系统虽然应用得非常成功，但价格比较贵，系 统稳定性能也有待提高，维护和升级比较困难。而且。在软件和硬件两方 面，都不拥有核心知识产权。因此，要取得长足的发展和进步，自主开展 仿真软件和接口系统的研究是十分必要的。 w m s 系列仿真器是分布式控制系统( d c s ) 的一个典型应用。伴随着计 算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，分布式控制系统已经取 得了巨大的进步，并在工业控制等领域得到了十分广泛的应用。由于系统 可靠性和灵活性的高要求，分布式控制系统的发展方向主要表现为：控制 面向多元化、系统面向分散化。目前，d c s 的结构可归纳为“三点一线”式 结构。“一线”即d c s 计算机网络；“三点”即连接到网络上的三种不同类 型的节点。这三种节点为：现场i o 控制站、操作员站、工程师站。现场 i o 控制站是完成对现场i o 处理并实现直接数字控制的网络节点。操作员 站是处理与运行操作有关的人机界面功能的网络节点。工程师站是对d c s 进行离线的配置、组态工作和在线的系统控制、维护的网络节点。这种分 布式网络技术逐渐在计算机仿真中得到应用和发展，特别是大中型火电厂 仿真几乎都采用d c s 控制方式。所以，在这种形势下，采用计算机图形技 术设计仿真模拟器操作界面，用计算机网络技术实现各操作台以及其它功 能台间的通讯就成了设计培训仿真机的一种必备的方便可靠的手段。 武汉理工大学研制的船舶轮机仿真训练器一个实时仿真系统，它由现场 设备、计算机设备与i o 接口系统以及通讯设备组成。仿真主计算机是仿真 训练器最主要的硬设备，用来存放仿真对象的数学模型及控制程序，以及控 制整个仿真系统的实时运行。系统辅助计算机通过网络与仿真主计算机连 接，实现诸如教练员工作站、控制系统操作站、工程师站、环境仿真等功能。 武汉理工大学硕士学位论文 i 0 接口系统实现上位计算机和盘台等硬件间的数字量模拟量的相互转换 和传输。相比之下，i o 接口系统因为其连接的外部设备种类繁多、特性各 异而数据传输速度相对较慢。i o 接口智能化将减轻上位计算机微处理器的 负荷，提高系统实时响应能力，分散系统功能和故障，日益成为i o 接l 扩 展设计的技术发展方向。 i o 接口系统是d c s 仿真系统的重要设备，它的技术性能和质量直接影 响到仿真系统的实时性和逼真度。m s c i s ( m a r i t i es i m u l a t i o n c o n t r o l i n t e r f a c es y s t e m ，船舶轮机仿真与控制接口系统) 是为w m s 系列船舶轮机 仿真训练器设计、开发研制的一套分布式智能输入输出接口控制系统，用 于实现实时仿真系统上位计算机和控制盘台或其它硬件问的数字量模拟量 的相互转换及传输。m s c i s 接口控制系统发挥集散控制系统的特点，采用分 布式的结构，由一个上位通信控制计算机( 以下简称通信计算机) 和数个下 位i 0 接口机箱组成。通信计算机集中监控、管理通信链路中各个下位i 0 接口机箱，人机交互界面友好，主要功能是对m s c i s 接口控制系统进行组态、 配置工作、在线控制和实时监控m s c i s 通信网络上各个节点的情况。f 位 i o 接口机箱直接连接控制盘台或其它硬件设备，分散控制接口系统的各个 输入输出通道。下位i o 接口机箱中的功能板卡支持四种不同类型的输入输 出通道，各个功能板卡独立工作，互不干涉，其中一个输入或输出通道出现 故障不会影响其它的输入或输出通道正常工作，主要功能是完成对现场i 0 处理并实现直接数字控制，包括数据采集和处理、数据转换等功能。通信计 算机和下位接口机箱的数据联系由通信卡及控制卡r s 一4 8 5 或者c a n 总线通 信连接实现，主要功能是配置、分发通信计算机下传的组态和控制数据流、 集中监控下位机箱各个功能板卡运行，包括数据打包、解包处理、数字滤波、 数据回采等功能。 由仿真中心自主进行的m s c i s 智能化接口控制系统的研制工作，目的是 开发出一套性能良好、价格适中、接口完备的具有自主知识产权的通用控制 系统。主要任务包括硬件板卡设计、软件接口设计、配套设施设计等。经过 较长时间的探索与研究，m s c i s 接口系统的设计工作已经基本完成，并进行 了初步的运行实验和负荷实验。m s c i s 接口系统具有功能全面、组态灵活、 i o 接口点多、实时性好、可靠性高、可移植性强且性价比高等优点，同时 也可用于其它系统仿真工程、工业控制工程等领域。该系统的研制对于提高 武汉理工大学硕士学位论文 我校w m s 系列船舶仿真训练器研制的技术水平及自主知识产权的开发，具有 重大社会、经济意义。 1 2 国内外分布式控制技术的发展【3 】 分布式控制系统，亦称集散控制系统，是当今工业过程控制的主导产品。 自动化仪表发展经历了三个时期：2 0 世纪5 0 年代自动化仪表的主导产品是 基地式仪表；2 0 世纪6 0 年代以单元仪表和集中式计算机控制系统为主；2 0 世纪7 0 年代中期以美国霍尼威尔公司的t d c 2 0 0 0 和日本横河公司的c e n t u m 系统为代表的分布式控制系统的出现，对工业自动化领域起了革命性的推动 作用，是自动化控制技术发展的里程碑。分布式控制系统经历了不断改进与 创新，仍然是当前自动化控制技术的非常重要和活跃的领域。 从i 9 7 5 年霍尼威尔公司推出世界上第一套集散控制系统以来，d c s 经 历了2 0 多年的发展和完善，依靠其灵活方便和功能丰富的组态功能以及可 靠的网络通信能力，已在工业控制中获得广泛应用。d c s 系统在国内外得到 了广泛的应用。我国第一套d c s 系统是购自于日本横河的c e n t u m 系统。此 后，我国从国外著名大公司引进不少分散型控制系统，国产分散控制系统的 生产和研制也有了长足的发展。目前国内d c s 开发、生产比较成熟，已经在 冶金、石油、化工、电力等很多行业得到了成功应用，并取得了十分可观的 经济效益和社会效益。就目前而言，领导世界d c s 发展的几家著名公司正在 积极地改进和升级它们的产品，d c s 也在朝着开放性、分散性与可互操作性 方向发展。因而b c s 在未来一段时间里仍然是工业控制的主流。 随着控制技术、计算机技术、网络通信技术、人工智能、智能仪表、集 成技术等高新技术的发展和各种理论的完善，集散控制系统已向更厂更深层 次发展，如c i m s ( 计算机集成制造系统) 、c i p s ( 计算机集成过程系统) 和 f c s ( 现场总线控制系统) 。c i m s 系统是d c $ 向上开放的产物，是工业自动化 的高级形式。它不仅包括现场控制，而且还包括工艺监督、生产计划、原料 供应、营销决策等，它可分为控制层、监督层、调度层、生产管理层和决策 层。c i p s 系统即流程工业中的c i m s 系统。f c s 系统是一种全开放式的网络 体系，所有技术和标准都是公开的，只要遵循同一个现场总线规范，不同厂 商的现场设备就可以自由地互连、互换、互操作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 集散控制系统的问世标志着仪表计算机控制系统进入一个新的历史时 期，其发展过程也一直受到业内的广泛关注。在短短2 0 多年中，集散控制 系统已经历了四代更新，技术已相当成熟。形成的标准和系列也得到了世界 的公证，是自动化过程控制的一个里程碑。尽管f c s 等是今后发展的方向和 近期研究的热点，但由于d c s 的技术已成熟，用户的习惯问题以及d c s 自身 开放发展等各种原因，目前d e s 仍是我国主要的自动化过程控制系统。 1 3 国外微电子技术的发展 1 3 1 微型控制器技术发展1 4 1 ， 5 1 从1 9 7 4 年美国仙童( f a i r c h i l d ) 公司生产出第一块f 8 单片机以来， 各个单片机制造商及各种单片机大量涌现出来，单片机应用也日益广泛。随 着电子器件设计、制造水平的不断提高，微型控制器的功能越来越强大，性 能越来越稳定，价格越来越便宜。现在，微型控制器在工业自动化控制、智 能化仪器仪表甚至家电、玩具等行业中的应用越来越广泛。 世界上有许多计算机、电子产品厂家生产单片机，如美国i n t e l 公司、 z i l o g 公司、m o t o r o l a 公司以及日本的n e c 公司、t o s h i b a 公司等。单片机 规格从4 位、8 位直到1 6 位、3 2 位。但最著名最具有代表性的是i n t e l 公 司的单片机系列产品。该公司最早推出了具有世界标准的单片机8 0 4 8 ，以 后又相继推出了功能更为完善的各个系列产品。其产品迅速的主宰了世界单 片机市场，被誉为单片机的行业标准。现在的应用中，8 位单片机相当广泛。 但随着很多控制场合的要求只益提高，1 6 位单片机已经而且必然替代很多 8 位机的应用场合。就i n t e l 公司的1 6 位单片机而言，国内目前的应用大 多集中在i n t e l8 0 c 1 9 6 k b 8 0 c 1 9 6 k c 等第二、三代单片机上，i n t e l 公司的 第四代单片机还少有应用。一方面是由于国内还缺少这方面的开发系统，开 发机大多依赖于进口；另一方面，这类单片机编程难度较大，缺少应用实例 参考，因此许多用户望而却步，使这类单片机的潜能未能真正发挥出来。 i n t e l 公司的m c s 9 6 系列1 6 位单片机特别适用于各类要求实时处理、 实时控制的系统，如工业过程控制系统、伺服随动系统、分布式控制系统、 变频调速电机控制系统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器， 武汉理工大学硕士学位论文 以及高性能的计算机外部设备控制器等。m c s - - 9 6 系列单片机在实时控制应 用中具有许多8 位单片机无法比拟的优点，如采用寄存器一寄存器结构，设 置了大量通用寄存器，拥有更高效的指令系统，增加了外设事物服务器p t s 和高速输入输出器h s i h s o 等。8 0 c 1 9 6 k b 是i n t e l 公司九十年代初期性能 较强的第二代c m o s 芯片。其数据地址总线均为1 6 位，使用m c s 9 6 家族 共享指令系统，集成了时钟发生器、i l o 端口、a i d 转换、p w m 输出、串行 口、定时计数器、监视定时器w a t c h d o g 、高速输入输出器等。特别是 8 0 c 1 9 6 k b 在串行口功能上除了支持异步串行通讯之外，还增加了同步串行 口，可以支持多种标准的同步串行传输协议。 综合考虑各方面因素，m s c i s 接口系统选用功能强大、速度快、使用方 便、抗干扰性能好、价格又较低的8 0 c 1 9 6 k b 单片机来设计。这样既满足了 仿真控制系统的现有要求，又有很好的经济性，而且为系统升级留下了较大 空间。 1 3 2 可编程逻辑器件技术发展6 】， 7 】 从2 0 世纪6 0 年代中期开始，人们就开发出各种计算机辅助设计软件来 帮助进行集成电路和电子系统设计，这大大促进了e d a ( e 1 e c t r o n i c sd e s i g n a u t o m a t i o i l ，电子设计自动化) 的产生和发展。e d a 技术中，系统的关键电 路可以采用一片或几片专用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r o u t s ，集成电路) 芯片来实现，从而使系统具有体积、重量小，功耗低， 高电气特性、高可靠性等优点。 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 是a s i c 的一个 重要分支。p l d 是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以通 过对器件编程使之实现所需要的逻辑功能。p l d 是用户可配置的逻辑器件， 它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，承担风险小，因 而很快得到普遍应用，发展非常迅速。 可编程逻辑器件从2 0 世纪7 0 年代发展到现在，已形成了许多类型的产 品，其结构工艺、集成度、速度和性能等都在不断的改进和提高。2 0 世纪 7 0 年代末美国n m i 公司推出了第一个得到普遍应用的p a l ( p r o g r a m m a b l e a r r a yl o g i c ，可编程阵列逻辑) 器件。2 0 世纪8 0 年代初，l a t t i c e 公司发 明了g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，通用阵列逻辑) 器件，并得到广泛应用。 武汉理工大学硕士学位论文 p a l 和g a i ，都属于低密度p l d ，其结构简单，设计灵活，但规模小，难以实 现复杂的逻辑功能。2 0 世纪8 0 年代末出现的c p l d ( c o m p l e xp r o g x a m m a b l e l o g i cd e v ic e ，复杂可编程逻辑器件) 系列器件具备在系统可编程能力。c p l d 采用酽c m o s 工艺制作，增加了内部连线，改进了内部结构体系，因而性能 更好，设计更加灵活，发展也非常迅速。 2 0 世纪9 0 年代以后，高密度p l d 在生产工艺、器件的编程和测试技术 等方面都有了飞速的发展，c p l d 的集成度一般可达数干甚至上万门。目前， c p l o 集成度已经达到几十万个的等效门，最高工作速度已达数百m h z 。可编 程集成电路的线宽已广泛采用0 3 5 u m 甚至更精细的工艺，各厂家开发的 0 1 8 u m 和0 ，1 5 u m 工艺器件也已经出现。 目前世界上各著名半导体公司，如x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 等公司， 均可提供不同类型的c p l d 、f p g a 产品，众多公司的竞争促进了可编程集成 电路技术的提高，使其性能不断完善，产品丰富，资料全面易得。可编程逻 辑器件将在结构、密度、功耗、速度和性能等方面得到进一步发展，并在现 代电子系统设计中得到广泛应用。 随着i n t e r n e t 在科研学术上的高度渗入，a s i c 设计所要用到的e d a 二i j 具和元件( i p 模块) 均可在网上流动，产品和开发工具的销售、学习过程 均可利用i n t e r n e t 完成，从而使a s i c 设计变得越来越迅速、经济、高效。 微电子技术和计算机技术的迅速发展，为实时仿真系统的i o 接口系统 研制提供了更开阔的研究思路、更先进的技术路线和更丰富集成电路资源。 1 4 论文主要内容 在研制m s c i s 接口控制系统智能通信卡、智能控制卡、接口系统驱动模 块以及系统测试程序的基础l ，撰写了本论文。根据实际工作情况，论文的 主要内容如下： l ， m s c i s 接口控制系统的组成、原理及研制技术； 2 m s c i s 接口控制系统智能通信卡的硬、软件设计： 3 m s c l s 接口控制系统智能通信卡的硬、软件设计； 4 系统驱动模块以及系统测试软件设计； 5 结论及下一步工作展望。 武汉理1 + 大学硕士学位论文 第2 章m s c i s 接口控制系统及研制技术 2 1m s c i s 接口系统介绍【1 3 】 m s c i s 分布式智能输入输出接口控制系统( 以下简称m s c i s 接口系统) 是专门为w m $ 系列船舶轮机仿真模拟训练器所研制的一套i l o 接口系统，其 主要组成部分包括i o 接口机箱、硬件板卡、系统驱动程序、系统测试软件 等。 2 1 1m s c i s 接口系统组成 m $ c i s 接口系统分为硬件和软件两个部分，软件部分包括系统驱动程序 和系统测试程序。接口硬件系统由一台通信计算机及若干个智能i 0 接口机 箱组成，系统组成框图如图2 1 所示。 模 r s 一4 8 5 通信 型 通信计算机i 0 接口机箱 主 啦 a 通通 控 计 网 信信 伟0 i 算 七 机 卡 卡 卡 隔 剀i 一 口机箱 d i 墅蔓堕曼筻堂舅一m s c i s 接口控制系统： m s s 接口系统硬件组成框图 软件平台和对象模型程序运行在模型主计算机上，因此模型主 计算该采用服务器或者高性能pc机。通信计算机采用工业控制计算机。 与普机相比，工业控制计算机具有更丰富、实用的接口、更强的环境适 应能更加稳定的性能。通信计算机通过以太网来与仿真主计算机及其它 监控机相连接，负责与上位机的通信和io接口机箱的控制。通信计算 机足成整个控制功能，不必占用仿真主计算机资源。下位i0接口机箱 武汉理工大学硕士学位论文 中的板卡大多为智能板卡，配置有i n t e l8 0 1 9 6 k b 单片机，能够独立完成自 己的任务，使控制更加分散。 智能通信卡有两种，分别采用通用的p c 总线和p c i 总线，插在通信计 算机主机板上。通信计算机通过通信卡上的r s 一4 8 5 或者c a n 总线接口与下 位i o 接口计算机中的控制卡相连。一块通信卡上串行连接的所有控制卡与 该通信卡一起组成一个控制链路。每块控制卡上有2 个r s 一4 8 5 或者c a n 总 线通信口，每个i o 接口机箱都可以与邻近的i o 接口机箱方便地级连，或 者连接到另外的通信卡上组成新的控制链路。通信计算机负责管理所有链路 中的所有板卡，实现包括系统组态、功能板卡属性设置，上、下传输数据信 息等功能。通信计算机内可以插装多块通信卡，分别串行连接控制卡以组成 多个控制链路，每一个控制链路最多可连接1 0 个机箱。按照系统当前的默 认设置，采用r s 一4 8 5 方式通信时串行通信速率为1 8 7 。5 k b a u d ，最大通信距 离在理论上可以达到8 0 0 米以上。 下位i o 接口机箱采用自行设计的专用机箱，防尘性好，冷却通风强劲， 电源稳定可靠，造型美观大方。接口机箱使用z ) l ks t d 总线，板卡一律平推 拔插。每个接口机箱设有1 7 个插槽，第1 个插槽( s 1 0 t0 ) 中放置控制卡， 其余1 6 个插槽( s 1 0 tl 1 6 ) 供其它下位功能板卡使用。智能控制卡通过 r s 一4 8 5 或者c a n 总线接口连接通信卡和其它控制卡，通过机箱内部s t d 总 线对t 6 个插槽中的下位功能卡进行控制和并行通信。 m s c i s 接口系统设计上采用开放式结构。只需对组态表进行相应改变， 就可以实现任意指定机箱或功能板卡的摘除，这为故障检测和系统维护提供 了很大便利。如果需要扩容也很容易。可以将新的功能板卡直接加入到一个 机箱，或者将新的i o 接口机箱级连到已经存在于系统的一个i o 接口机箱， 重新定义并组态后就可以投入使用。如果在通信计算机上安装新的通信卡， 还可以比较方便地组成新的控制链路。 2 1 2m s c l s 接口系统板卡 m s c i s 接口系统设计开发了五种功能八个型号的板卡 ( 1 )智能通信卡( c c o m 卡及p c i c o m 卡) ； ( 2 )智能控制卡( c c t r l 卡) ： ( 3 )智能多通道模拟量输入卡( a i 卡) ； 武汉理上大学硕士学位论文 ( 4 )智能多通道模拟量输出卡( a o 卡) ； ( 5 )数字量输入输出卡( s d i 、s d o 卡及u d i o 卡) 。 1 智能通信卡 智能通信卡( c c o m 卡及p c i c o m 母) 是m s c i s 接口系统与外界交互的 桥梁，是系统中最主要的硬件组成部分。卡上的8 0 c 1 9 6 k b 单片机有效地减 轻了通信计算机的负荷。卡上还设计有共享r a m ，通信计算机和通信卡上的 单片机都可以直接访问，由此实现高速通信。根据一般实际系统的大小，以 及通信链路数据容量，通信卡的设计容量允许同链路与最大1 0 块控制卡 相互通信，即是最大可挂接1 0 个i o 接口机箱。在实际使用中，应该根据 各个i o 接口机箱的分布和负荷情况，特别是通信线路实际走线距离来安排 链路上的负荷，尽量留下一定的负荷裕量，以保证系统长时间稳定运行。 2 智能控制卡 智能控制卡( c c t r l 卡) 位于i o 接口计算机的0 号槽中，是下位i 0 机 箱的核心控制部分，主要功能是实现接口机箱各个下位功能板卡进行数据的 输入输出交换以及和通信计算机通信卡进行数据交换。控制卡是接口机箱 的智能控制单元，为接口机箱提供了完善的总线控制逻辑，可靠、高速地和 各个下位功能板卡进行数据交换和进行控制。机箱内部s t d 总线由数据线、 地址线、控制信号线及电源线组成，控制卡通过它们和接口机箱的各个下位 功能板卡通信并实现组态控制，机箱内部总线上采用信号应答异步通讯方 式。m s c i s 接口系统采取点名的方式进行数据帧传输，多个控制卡可通过级 连的方式链接在一块通信卡上，组成一条链路。 3 模拟量输入卡 模拟量输入卡( a i 卡) 是由8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制的i 0 功能卡，直接捅 在i o 接口机箱插槽中工作，与控制卡通过机箱内部总线相连。它提供1 6 路单端或8 路差分的模拟量输入，可由接口计算机软件编程选择。模拟量输 入电压可选择单、双极性，采用1 2 位的模拟数字转换器，并装有可编程控 武汉理工大学硕士学位论文 制的增益放大电路，共提供x 1 、x 2 、x 4 、x 8 四档增益。板上还有数字滤波 功能，可根据实际情况设置l 、4 、8 、1 6 四档。每一路模拟量都可通过组态 表和软件分别设置增益、输入量程、软件滤波级数等。a i 卡上单片机系统 管理本卡与该i o 接口机箱控制卡的数据交换，控制模拟量通道的输入数据 采样、数字滤波、信号处理，把处理的数据存入板上r a m 缓冲区，随时同控 制卡进行数据交换。 4 模拟量输出卡 模拟量输出卡( a o 卡) 卡由一个8 0 c 1 9 6 k b 单片机系统，1 2 位、1 6 通道 的数字模拟转换电路及采样保持放大电路等部分组成。a o 卡直接插在i o 接口机箱插槽中工作，通过机箱内部总线，接收控制卡传来接口计算机的数 据，提供1 6 路模拟量输出，每路输出都具有短路保护能力。模拟量输出量 程和输出极性可由接口计算机组态表和软件设置成不同的量程。 5 开关量输入输出卡 丌关量输入输出卡设有3 2 点通用开关量输入输出点，采用复用点 技术，兼有开关量输入、开关量输出的功能。每一点均可由软件设定为开关 量输入( d i ) 或开关量输出( d o ) 。这种“通用点”技术使板卡使用十分灵 活，在仿真机控制应用中非常方便使用。为了改善该类型卡的性价比，还设 计了单用型数字量输入卡( s d i ) 及单用型数字量输出卡( s d o ) 。开关量的 数据交换及控制由控制板通过机箱内部总线进行。开关量输出采用电子丌 关，开关量输入可接受两类不同的输入信号：触点及t t l 电平。开关量输入 从硬软件两方面加强了触点防抖动抖处理，并具有良好的离线及在线的自我 测试能力。 2 2 接口系统硬、软件研制技术 2 2 1 微处理器 m s c i s 接口系统所有板卡上的微处理器均采用8 0 c 1 9 6 k b 单片机，工作 速度快、稳定可靠。在数据处理和传输任务比较复杂的板卡上使用微处理器， 武汉理 _ 大学硕士学位论文 有利于提高整个系统的智能化程度和减轻主机负担。 1 8 0 c 1 9 6 k b 单片机特点【8 m s c i s 接口系统选用8 0 c 1 9 6 k b 单片机，主要考虑其具有以下几方面的 突出优点： ( 1 ) 8 0 c 1 9 6 k b 采用寄存器一寄存器结构，c p u 操作直接面对2 5 6 字节