（检测技术与自动化装置专业论文）铅酸蓄电池生产过程测控网的研究.pdf

山东轻工业学院硕上学位论文 摘要 铅酸蓄电池作为稳定的直流电源，有良好的可逆性、电压平稳特性，另外他 的造价低廉，使用寿命长，因此在各个行业中得到了广泛的应用。为了能有效的 提高铅酸蓄电池的充电效率，延长蓄电池的使用寿命，我们使用智能充电机来管 理和控制。但由于近年来，蓄电池用量的增大，特别是各台智能充电机在地理位 置上的分散和彼此独立，提出了自动巡检、记录、控制各台独立的智能充电机， 保存充电网络中的参数的需求，因此本文针对这种现状，设计和规划了一种铅酸 蓄电池充电网络的解决方案。 本课题在借鉴了传统的几种蓄电池网络管理方案后，提出了自己的一套改进 方案，充分的利用了以太网的优势来传输数据，最大限度的降低了网络布线的成 本，同时使用了嵌入式系统来替代传统的p c 上位机控制的方式，处理来自于网 络中的智能充电机的数据，并且通过定义控制终端和智能充电机的通信规约，增 加必要的数据较检，来增强整个网络的抗干扰性和安全性。 以嵌入式系统作为控制终端，进行硬件和软件的设计是本课题的论述的中心， 通过分析整个系统需要的模块驱动，移植u c o s i i 嵌入式实时操作系统，以及分 析和移植l w i p 嵌入式t c p i p 协议栈，完成整个课题的框架。为了保证控制终端 能够长时间在工业环境中稳定的运行，在开发过程中，使用了嵌入式操作系统 u c o s i i ，同时对内核和驱动做了最大的剪裁和优化，而通过自定义的传输协议， 也保证了数据在测控网中的高吞吐量和安全性。整个程序的底层集成了众多的硬 件驱动，与内核协同的工作可以实现更加复杂的要求，在铅酸蓄电池测控网中， 每一项具体的任务已经从代码上做了函数的封装，这样无论是系统的升级还是维 护都更易于实现。编程程序并下载到开发板，经过调试和测试，能够稳定的运行。 关键词：铅酸蓄电池；网络测控；a r m ；u c o s i i ；l w l p v a b s t r a c t a b s t r a c t l e a d a c i db a r e r yh a sac h a r a c t e r i s t i co fw e l lr e v e r s i b i l i t y ，s t a b l ev o l t a g e ，b e s i d e si t s l o wp r i c ea n dl o n gl i f e - s p a nh a v em a d ei t w i d e l yu s e di ne v e r yf i e l d i no r d e rt o i m p r o v et h ec h a r g i n ge f f i c i e n c yo ft h el e a d - a c i db a t t e r ya n dp r o l o n gi t sl i f e s p a n ，w e s e l e c tt h ei n t e l l i g e n tc h a r g e rf o rt h ea d m i n i s t r a t i o n b u tr e c e n t l y ，t h eu s a g eo ft h e l e a d - a c i dh a sb e e ni n c r e a s i n g r a p i d l y ，e s p e c i a l l ye a c hc h a r g e ri ss e p a r a t e da n d i n d e p e n d e n ti nd i f f e r e n tl o c a t i o n s ，ar e q u i r e m e n to fah i g h l ya u t o m a t i cs y s t e mw h i c h c a nc h e c k ，r e c o r d ，c o n t r o le a c hc h a r g e ri n s t e a do fl a b o ra n dc o n s e r v et h ep a r a m e t e ro f c h a r g i n gn e t w o r kh a sb e e np r o p o s e d ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o nip u tf o r w a r da s o l u t i o ns c h e m ef o rt h el e a d a c i db a t t e r yc h a r g i n gn e t w o r k f r o mb o r r o w i n gt h e e x p e r i e n c eo fo t h e rt r a d i t i o n a ll e a d a c i db a t t e r yc h a r g e r a d m i n i s t r a t i o ns c h e m e ，t h i sp r o j e c tp r e s e n t sa ni m p r o v e ds c h e m ew i t ht h ea d v a n t a g eo f t h ee t h e r n e to nw h i c hd a t ai st r a n s m i t t e d i td e c r e a s e st h ec o s to ft h en e t w o r kw i r e l a y i n ga tm o s t m e a n w h i l et h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o dw h i c hu s et h ep c sa st h e t e r m i n a li ss u b s t i t u t e db yt h ee m b e d d e ds y s t e m ，i fc o m m u n i c a t i o nr u l e sa r ed e f i n e df o r t h ec o n t r o lt e r m i n a la n di n t e l l i g e n tc h a r g e rw i t ht h ee x t r an e c e s s a r yd a t ac h e c k s u m ，t h e w h o l el e a d a c i db a t t e r yc h a r g i n gn e t w o r k sa n t i - ja m m i n ga n ds e c u r i t ya r ee n h a n c e d t h ee m b e d d e ds y s t e mi st h ec o n t r o lt e r m i n a l a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i sl o c a t e di nt h ec e n t e ro ft h ea r t i c l e t h ep r o j e c t sf r a m e w o r ki s a c c o m p l i s h e db y a n a l y z i n gt h en e e d e dm o d u l ed r i v e r ，t h ep o r t i n ge m b e d d e ds y s t e mo fu c o s i ia n dt h e a n a l y s i so ft h el w l pe m b e d d e dt c p i ps t a c k i no r d e rt og u a r a n t e et h ec o n t r o lt e r m i n a l t ow o r ks t a b l yi nt h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n t al o to fw o r kh a sb e e nm a d ef o rt h e c l i p p i n ga n do p t i m i z a t i o nf o rt h eo sc o r ea n dd r i v e r sd u r i n gt h ew h o l ed e v e l o p m e n t p r o c e s s w i t ht h eu s e r d e f i n e dt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，d a t ac a nb et r a n s m i t t e di nah i g h t h r o u g h p u ta n ds e c u r i t yi n s i d et h em e a s u r ea n dc o n t r o ln e t w o r k t h ew h o l ep r o g r a m m e w a si n t e g r a t e dw i t hd i f f e r e n tk i n d so fh a r d w a r ed r i v e s t h e yc o o r p e r a tw i t ht h eo s t o a c c o m p l i s hm o r ec o m p l e xt a s k s t h i sa r t i c l eh a sm a d ee v e r yc o n c r e t ei n d u s t r i a l r e q u i r e m e n te n c a p s u l a t e di nt h ef o r mo fa p if u n c t i o nw h i c h m a k e st h eu p d a t i n ga n dt h e m a i n t a i n a n c eo ft h ew h o l es y s t e mm o r ec o n v i e n tt or e a l i z e a f t e rc o m p i l i n gt h ec o d e a n dd o w n l o a di tt ot h ee v a l b o a r d k e y w o r d s ：l e a d a c i db a t t e r y ；a r m ；m o d u l ed r i v e r ；u c o s i i ；l w l p v i 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：遮圣篷 日期：一墅星年血月生日 导师签名： 日期：进年上月仁同 山东轻工业学院硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着技术的不断进步，智能充电机也逐渐的走向成熟。它的出现使得蓄电池 寿命得到了延长，充放电的时间也得到了很好的改善。每一台智能充电机对蓄电 池进行充电是独立进行的，完全可以结合每台蓄电池的运行参数及运行状态科学 的对每台蓄电池进行充放电，避免了因蓄电池参数不一致引起过充电，欠充电， 以及过放电等问题的发生，保证了电池的使用寿命【l 】。大规模的蓄电池充电系统有 着这样的一个需求：各台智能充电机通过一台主控机连成网络，主控机负责记录、 监视各台智能充电机的参数，并及时将这些参数记录与备份，这就大大减轻了人 员的劳动力，并且能够更加科学准确的来记录和处理这些数据。另外，当智能充 电机出现异常时，主控机可以及时调整智能充电机，使得整个蓄电池网络充电更 加稳定的运行。 网络环境下蓄电池的充电与管理已经成为推进蓄电池大规模生产的重要因 素。独立的智能充电机，往往需要大量的有经验的操作人员来维护，耗费了大量 的精力和物力。当独立的充电机连成了网络，只要在主控机的终端就可以完成了 对蓄电池的维护和监控。针对工业场合的恶劣环境，主控机的要选择稳定性强的 m c u ，同时还要考虑主控机要同时处理大量的来自网络的数据，以及价格因素， 以a r m 7 为核心的嵌入式处理器，成为了最佳选择的。同时嵌入式操作系统的能够 很好的在工业级的恶劣环境保证程序的稳定性，t c p i p 协议的剪裁后的精简版 l w l p 也能够很方便的在嵌入式处理器中移植，并且在这方面已经积累相当多的经 验。当网络的所有设备能够按照t c p i p 协议连成网络，则我们可以凭借互联网的 优势，在任何一个地方来控制设备。 1 2 课题研究现状与进展 国内针对网络环境下的智能充电机的研究，还处于一个初步的阶段，特别基 于t c p i p 协议的充电机的管理和测控，现在能从相关资料查到的相关的技术方案 有：基于无线网络的上位机监控方案、基于现场总线c a n 的蓄电池充电控制系 统、智能充电机的集散控制系统方案、基于r s 2 3 2 r s 4 8 5 的蓄电池测控网控制 系统方案。国外的研究主要集中在对铅酸蓄电池充放电最佳曲线的研究，如何能 够使智能充电机更迅速更有效的对蓄电池进行充放电。 基于无线网络的上位机监控方案，通常是借助于移动通讯网络g p r s 来实现 对需要的数据进行传输，这种方式有自身的优点比如接入时间短，传输速率快， 可以迅速的连接控制终端，但是g p r s 连接常常会发生丢包，调制方式也并不是 第l 章绪论 最优，同时存在这转接时延现象，这些因素都不利于在测控网中的使用。基于现 场总线c a n 的蓄电池充电控制系统中c a n 现场总线上具有两个智能节点：蓄电池 充电控制器作为c a n 总线通信系统中的一个智能节点；c a n 转2 3 2 接口卡作为 另外一个智能节点，通过其r s 2 3 2 接口与p c 机相连，将操作控制和显示终端移 到了界面友好的p c 机上，通过上位机软件实现远程控制和管理【2 1 。在该系统中， p c 机永远是主控者，智能充电机的单片机控制芯片只是被动接收者。通信协议的 设计思想是基于帧传输方式。即在向r s 2 3 2 串口发送命令信号、应答信号及数据 信号时，是一帧一帧地发送的。为了使数据快速可靠地传输，将每一帧数据唯一 对应一命令帧，此时传输数据即执行命令。智能充电机的集散控制系统方案中， 采用两级计算机集散型控制系统控制智能充电机工作。第二级直接数字控制级 d d c 完成下层各充电机的数据采集、过程控制等任务；第一级计算机监控级s c c 主要实现综合监视充电过程主要信息、历史数据存档及给d d c 级命令等。该系 统以s c c 作为上位机，采用5 8 6 工控机，在w i n 9 8 环境下自行开发本系统应用 程序；以d d c 作为下位机，采用单片机作为智能充电机的控制芯片，采用智能 算法进行过程控制。基于r s 2 3 2 r s 一4 8 5 的蓄电池测控网控制系统方案中，使用 r s 4 8 5 总线作为传输介质，而控制终端则是通过r s 2 3 2 转r s 4 8 5 总线控制器来 实现与网络中各台充电机的通讯，这种方案比较成熟，价格相对低廉，很多设计 方案中都采用了类似的这种方式，但是他的连接受到距离还有通讯速度的限制。 从发展历史看，信息网络和测控网络有相似之处，从体系结构的角度出发直 观地反映了这种相似之处。在发展过程中由于市场推动和应用的需要等各种因素， 信息网络总在技术上领先于测控网络，信息网络中产生的新概念、新理论也逐渐 被测控网络所吸收，信息网络发展到现在，其一些成功的技术是可以被测控网络 借鉴的【3 】。近些年，基于a r m 内核3 2 位嵌入式系统m c u 的繁荣，同时随着嵌入式 操作系统的稳定和成熟，必将掀起这个信息网络与测控网络互联的研究热潮。 1 3 论文的主要工作 本论文依据于对智能充电机网络化管理的需求，使用a r m 7 内核的l p c 2 2 1 0 作为处理器，在蓄电池生产测控网中作为服务器终端，管理、记录和检测整个网 络中各台充电机的参数和状态，在保证高效实时的要求之外，也最大限度的实现 的了整个嵌入式控制系统的稳定性和代码的精简。 论文首先从课题的背景，对整个方案进行细致的分析和评估，对相关的技术 细节进行了研究和探讨，对涉及的功能模块进行了剪裁和设计。蓄电池智能充电 机是网络中被测量的终端，它安置在极其恶劣的工业环境中，很容易被外界因素 特别是硬件环境所影响，在对他们进行网络规划时，这都是必不可少的考虑因素， 从网络的介质、网络的协议、网络的稳定性以及网络的可维护度综合分析的角度， 2 山东轻t 业学院硕士学位论文 来采取最佳方案设计课题。论文借鉴了国内外已经成熟的技术方案，横向的进行 了对比，通过深入的分析，修改和设计适合本课题最佳的方案，当然也需要对可 预见的缺陷进行考虑。 整个网络的控制终端是由性能强劲的a r m 7 系列的l p c 2 2 1 0 处理器作为核 心，拓展了硬件的环境和设备，为了能充分发挥嵌入式系统的优势，整个控制终 端所有的程序的编写要建立了嵌入式操作系统的基础之上，本课题采用内核小巧 但高效的商业级的操作系统u c o s i i ，它的引入使我们将更多的精力放到了代码 的组织和功能的灵活度上，而且对于增添剪裁硬件系统，我们可以更高效的编写 相应的驱动程序。本课题成功的移植了u c o s i i 操作系统，版本为2 8 3 ，它是整 个课题的最底层也是最重要的工作之一，正是它良好无误的工作才能使整个控制 终端稳定的工作，同时在以后的使用的开源t c p i p 协议栈，各种设备接口的驱动 以及相关的协议的实现，也是建立在u c o s i i 的操作系统基础之上。 从功能上，可以分为以下几个模块：数据采集模块、数据显示模块、数据保 存模块、数据通讯模块以及用户交互键盘模块。首先控制终端通过r s 4 8 5 或者 r j 4 5 接口实时采集各台智能充电机传送的充电电流值、充电电压值，这些原始的 数据构成了终端操作人员的操作的依据，也是网络控制器待分析的数据来源【4 1 ， 通过键盘的交互或者程序的判断，这些数据有可能经过处理器的分析后通过数据 通讯接口r j 4 5 或者r s 4 8 5 自动发回指令给各台充电机，将有效的数据显示在板 载的液晶显示屏上，或者通过数据保存模块手动或者自动保存在存储设备上，比 如u 盘、s d 卡或者e e p r o m 上，这些数据将成为这台智能充电机控制终端的日 志。当我们需要远程的控制的时候，我们可以开启指定的端口，达到远程操作的 任务，而借助于w e b 服务器，可以从局域网甚至互联网的一个接入点访问我们的 服务器。 3 第2 章铅酸莆电池生产测控嘲的总体结构设计 第2 章铅酸蓄电池生产测控网的总体结构设计 2 1 铅酸蓄电池生产测控网总体方案 在工业场合，集散控制系统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 ) 的引入曾经成功 的解决了铅酸蓄电池的智能充电管理，采用两级计算机集散型控制系统控制智能 充电机工作。第二级直接数字控制级d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 完成下层各充电 机的数据采集、过程控制等任务；第一级计算机监控级s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e r c o n t r 0 1 ) 主要实现综合监视充电过程主要信息、历史数据存档及给d d c 级命令等。 但随着控制技术、计算机技术和宽带网络技术的快速发展，测控技术、计算机控 制和通信领域的结合应用已经成为大势所趋。工业自动化目前朝向了现场总线控 制系统方向发展。基于现场总线的控制系统( f c s ) 成为下一代的工业控制系统，了 逐步取代传统的d c s ，这是技术发展的必然要求。d c s 厂家品牌多，通信技术复 杂，互联兼容性差，安装调试和服务成本耐引。 由此而采用新一代的现场总线控制系统f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统 的集散控制系统d c s ，实现现场通信网络与控制系统的集成。系统以i e c 现场总 线国际标准子集的某一种作为底层通信网络，通过上位机- p c 机来发送充电参 数、开始充电、紧急停止充电等控制命令给下位机一蓄电池充电控制器，现场总 线上具有两个智能节点：蓄电池充电控制器作为总线通信系统中的一个智能节点； r s 2 3 2 接口卡作为另外一个智能节点，通过其r s 4 8 5 总线接口与p c 机相连，将 操作控制和显示终端移到了界面友好的p c 机上，通过上位机软件实现远程控制 和管理。多种现场总线并存，致使控制网段的系统集成与应用集成在实现上不得 不面对多元标准、多种通信网络并存的复杂情况。自动化应用系统集成需要让不 同厂家的不同硬件设备、软件产品，按某种特定的应用目标，组合为一个有序而 且协同工作的整体，各家设备之间能实现互操作。本来，现场总线技术的通信协 议，就是为设备之间的通信规定一套完整、公开的行为规范1 6 j 。在统一标准规范 的前提下，系统集成具备较为完备的基础，而多种通信协议并存无疑会给系统集 成增加成倍的工作量，需要更多的集成手段、方法、设备，当然更为重要的是， 仍然需要为系统集成提供基本的集成基础。在网络系统、数据库系统己经成为自 动化应用系统支柱的今天，系统集成的地位与作用就显得更为重要。 因而，无论是最终用户还是制造商，在都关注新技术和发展的动向，都在寻 求高性能、低成本的解决方案。由此，以太网由于其开放性好、应用广泛以及价 格低廉备受到关注。以太网是i e e e s 0 2 3 所支持的局域网标准，最早由x e r o x 公 司开发，后经数字仪表公司、i n t e r 公司和x e r o x 公司联合扩展，成为以太网标准。 4 山东轻工业学院硕十学位论文 按照国际标准化组织开发系统互联参考模型的7 层结构，以太网标准只定义了链 路层和物理层【7 1 。作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。a p a r n e t 在制定了t c p i p 高层通信协议，并把以太网作为其数据链路层和物理层的协议之 后，以太网便和t c p f i p 紧密地捆绑在一起了。以后，由于国际互联网采用了以太 网和t c p f i p 协议，人们甚至把如超文本连接h t t p 等与t c p i p 协议组放在一起， 俗称为以太网技术。 随着i n t e m e t 的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，t c p i p 的简单 实用已为广大用户所接受。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管 理网络中也都广泛的使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价 格相对较低，带宽也在飞速增长( 出现了千兆b p s 甚至万兆b p s 以太网，特别是快 速以太网与交换式以太网技术的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备 代替控制网络中相对昂贵的专用总线设备。j 下是在现场总线标准争论处于不可开 交之际，以太网由于其技术成熟、易于得到、成本低等特点悄然进军现场总线控 制网络领域。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层的通 信，而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，因此可以说以太网已经成为工 业控制领域的主要通信标准。 以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通 信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业 现场的趋势。与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点： ( 1 ) 应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的 技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a 、v i s u a l c + + 、 v i s u a l b a s i c 等。这些编程语言由于得到广泛使用，并受到软件开发商的高度重视， 具有很好的发展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开 发工具、开发环境可供选择。 ( 2 ) 成本低廉。以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高 度重视与广泛支持，已有多种硬件产品可供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。 目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线网卡，而且随着集成电路 技术的发展，其价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高。目前以太网的通信速率为1 0 m b s ，1 0 0 m b s 的快速以太网 己开始广泛应用，1 0 0 0 m b s 以太网技术也逐渐成熟，l o g b s 以太网也正在研究。 其速率比目前的现场总线快得多。以太网可以满足对带宽有更高要求的需要。 ( 4 ) 软硬件资源丰富。由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用 等方面有很多经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著 降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系 统的开发和推广速度。 弟2 章铅酸昔电池生产测拉刚的总体鲒构设计 ( 5 ) 可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛 的重视和大量的技术投入：并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展 将很大程序上依赖于一个快速而有效f f 勺通信管理网络，信息技术与通信技术的发 展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向| 订发展”1 。 因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可 以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技 术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术j 二的可持续发展，在技术升 级方面无需单独的研究投入。这一点是任何现有现场总线技术所无法比拟的。同 时机器人技术、智能技术的发展都要求通信嘲络有更高的带宽、更好的性能，通 信伽议有更高的灵活性。这些要求以太网都能很好地满足。 2 2 铅酸蓄电池生产测控网的传输方式 硬件发计上主要把课题中开发的嵌 式a r m 模块嵌入进仪表、变送器等工业 控制现场终端，通过r s 4 8 5 接u 或者r j 4 5 接口获得铅酸蓄电池网络中的原始数据， 经过运算与分析后通过以太网柬实现具体的远程控制，在硬件卜采用标准的以太 网接口芯片，软件上利用实时操作系统u c o s - 1 1 上开发的t c p i p 协议栈柬实现操 作站与现场终端通信，在此基础上，运行嵌入式网页服务器，最终在现场终端上 实现网页服务器( w e b s e v e r ) 。通过操作站的 1 j 9 络浏览器( i n t e m e t e x p l o r ) ，用以太网 实现与现场终端的通信，对存储在现场终端l 的网页进行访问和操作。并通过这 些嘲页的访问来实现对现场终端的操作，如在线配置、数据下载、维护和报警。 特别是通过以太刚可以实现远程维护、操作和远程报警。不用到现场也不用特 殊的上位机软件( 直接通过w i n d o w s 白带的网络浏览器i e ) ，就可以做到存办公室 和家里对现场访问和了解，并进行一定的授权设置和身份验证j 。 在本课题中我们所架设的w e b 服务器，使用了位于o s i 模型中最上层的成用层 r r t p 协议，客户与服务器连接时，首先，向服务器提出请求，服务器根掘客户的 请求，完成处理并给出响应【1 “。控制终端按照协议将要发送的进行打包，通过网 卡发送数据至嘲络中，整个过程如图21 所示： 目日曰目国目 凹21 铅酸蔷也池生产删控网的连接框幽 山东轻工业学院硕， 二学位论文 当我们去控制各台智能充电机时，就没有必要将控制指令打包至应用，按照 约定的协议我们可以将数据只打包至o s i 模型的第二层的数据链接层使用 e t h e r n e t 协议，为了适应恶劣的工业环境，可以通过制定带更多选项的校检， 对产生的错误数据进行检测和判断，可以模仿t c p 连接的三次握手机制，对于没有 正确的接受到数据，对发送方重新发送，以保证整个网络的稳定性和可靠性，虽 然这会影响数据的传输速率，但由于数据通讯的数据量很小，这给整个网络的实 时性不会带来任何影响。 2 3 铅酸蓄电池生产测控网的网络拓扑 基于w e b 技术的控制系统，将w e b 网络技术以控制系统的结构形式出现，打 破了传统的控制系统设备的层次模型，实现了多种总线兼容和异构系统的综合， 使自动化系统实现了网络化、智能化、数字化，突破传统d c s 、p l c 等控制统设备 概念和功能，也实现了企业内部过程控制、设备管理的合理统一。 针对工业控制系统的要求，结合商用网络成熟的设计方法，本文设计了一个 结构化的交换式工业以太网，其系统结构示意图如图所示。该分布式控制采用树 型结构。整个系统完全基于e t h e m e t t c p i p 的一体化设计。 工作站完成对整个控制过程的监控，参数设定等功能。智能控制终端就是带 有嵌式操作系统和嵌入式t c p i p 协议的现场设备，智能控制终端可通过嵌入式控 制器自带的以太网卡接入网络交换机。本文中我们用自行设计的嵌式控制器用于 现场控制，并通过控制器上网卡接入网络交换机。基于e t h e r n e t t c p i p 的工业以太 网，管理层和控制层使用相同的通信协议。本质上，管理单元与现场控制单元及 监控单元可自由通讯，使上下层之间实现无缝集成；如果必要，管理层的决策单 元可以直接获得现场控制单元的数据，有利于供综合自动化决策选择；与此同时， 管理层与控制层之间建立必要的访问机制【1 1 】。 7 第2 章铅酸莆电池生产测摔网的总体结构设计 图2 2 基于w e b 技术的工业以太网 8 山东轻工业学院硕士学位论文 第3 章基于a r m 微控制器的系统模块设计 3 1c p u 的电路设计 本方案采用的m c u 是a r m 7 系列的n x p 公司的l p c 2 2 1 0 ，a r m 公司( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e sl i m i t e d ) 成立于1 9 9 0 年，公司本身并不生产芯片，而专门从事芯片 的设计，出售芯片技术授权，即知识产权( i p ) 供应商。它为a r m 架构处理器提供内 核。a r m 公司将这些i p 核授权给各个半导体公司，半导体公司在这些处理器内核 的基础上进行再设计，嵌入各种外围功能部件，形成各种各具特色的嵌入式处理 器。例如：a t m e l 公司的a t 9 1 系列、c i r r u sl o g i c 公司的e p 系列、i n t e l 公司的 s t r o n g a r m 、n x p 公司的l p c 系列等。国内的中兴集成、上海华虹、大唐电信等公 司也购买了a r m 内核的授权，生产相应的基于a r m 的网络系统芯片、基带芯片、 智能卡等。截至目前，a r m 已占据了嵌入式内核市场的8 0 以上的分额【l 2 。 a r m 系列处理器是r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 体系的典型代表。r i s c 是在分析t c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指 令集计算机) 体系缺点的基础上发展起来的体系结构，其特点是指令及其格式精简， 操作和控制简洁。基于r i s c 体系的处理器结构简洁、面积小、功耗小，非常适合 于嵌入式应用的场合。而l p c 2 2 1 0 是基于a r m 内核的一个支持实时仿真和嵌入式 跟踪的1 6 3 2 位处理器，当我们选择1 6 位t h u m b 指令集时，可以极大的提高代码 的密度，减小代码的规模，8 路1 0 位a d cp w m 输出以及多达多个3 2 位定时器，为 以后更精准采集更大范围的数据量，留出了足够的空间来扩展。由于l p c 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装，多达9 个外部中断，最多可提供7 6 个g p i o ，使它们特别适用于工业控制领 域，也正是这些丰富的管脚资源使我们可以有了扩展通讯模块，数据保存模块以 及数据显示模块的可能。处理器的这些特点可以完全满足本方案的设计要求，胜 任工作要求，还兼顾了性能价格和功耗的问题。 c p u 的电路设计晶振输入采用了1 1 0 5 9 2 m h z ，而l p c 2 2 1 0 的晶振输入的范围 是1 3 0 m z h 范围，但这并不是说处理器的速度越快越好，过高的晶振频率可能会 带来功耗的增加，同时频率的提高可能会导致整个开发板电器元件高频特性更加 明显，从而影响了系统的稳定性，处理器的运行频率要保证在6 0 m h z 的范围之内， 这样倍频的范围m 就可以取3 5 之间，分频器值和倍频器保持一致，也保证了外设 的频率范围。 对于外设接口，分为4 组，分别是b a n k o b a n k 3 ，b a n k 0 和b a n k l 连接到 了n o rf l a s h 和s r a m ，程序存储器和静态r a m 设置为1 6 位数据总线， b a n k 2 b a n k 3 连接到了n a n df l a s h 矛1 液晶控制芯片以及网卡接口芯片，虽然网 卡接口芯片可以为8 1 6 位，但液晶显示芯片的数据总线为8 位的，这里考虑兼容性 9 擤3 e 基十a r m 微拄制# 的系统模块世* 设为8 位数据总线。 l p c 2 2 1 0 带有j t a g 接n ，通过它我们可以更加方便的调试程序，缩短成品 发周期，l 郴 依据j t a g 接u 的杯准，可以减少f i 。a s h 以及r a mr 载m 错的概率， 兼窬更多的编译器件，从软件上增值。由j 。l p c 2 2 1 0 的管脚是复朋的，g p i o 的管 脚尽量不能使用复用1 2 c 功能、s p i 功能、串口功能的管脚这样就可以保留出这 些管脚留给需要的醴各使j j ，比如键盘管硎器什、s d 卡接口、串口控制台。 32 电源电路殛抗干扰设计 l p c 2 2 l o 采用的的是双屯源操作，18 v 的内核c p u 操作电压和33 v 的i o 操作 电压，这就需要为c p u 的供电提供专门的设计，电源的稳定与甭直接关系到整个 系统的稳定，凶此这早直接采用了两个电源模块柬实现限定的电压范罔，首先将 变脏器输入的9 v b 压通过l m 2 5 7 5 降m ，立换器变换为5 v 电址。之后墟过s p x l l1 7 低压芹( 1 ，d o ) 稳压器柬进一步实现要求的电压范围，其丌1 电源又分为模拟电源和数 ，电源”“。 在第步9 v 5 v 转换步骤巾，电路罔如图3i 所示： p u雨 ? 叫需i 面习，- 一 ! 蛾”乜旧拈 凹3i9 5 v 电压转换电路 l m 2 5 7 5 同定输m 5 v 的电压，1 a 的电流，变压器电爪输 端加了01 u f 的旁路 电容，去除输入i u 源中高频噪声对电蹄的影响。晰l m 2 5 7 5 输山端加t ol u f 的退耦 电容土除信号中的高频影响i ”i 。 第涉5 v 一33 v 的电路和5 v 一18 v 电路图如图32 所d i ： r “。”f 一l “z l 【l j _ _ l r o l m i l ? 1 = 。生。 - - i 一 二! ! i ! = ! i 一 。_ _ 、“! ”1 ，。4lv l 。：- “。 ，土二“ 刚3 25 v - 33 v i u 乐转拽电踏 山东轻工业学院硕十学位论文 s p x l l l 7 固定的输出0 8 a 的电流，1 8 v 和3 3 v 两种电压范围，输入和输出端都 有旁路和退耦电容。模拟电路涉及弱小信号，但是数字电路门限电平较高，对电 源的要求就比模拟电路低些。既有数字电路又有模拟电路的系统中，数字电路产 生的噪声会影响模拟电路，使模拟电路的小信号指标变差，克服的办法是分开模 拟地和数字地引。电感或磁珠相当于低通滤波器，直流电源可以通过，高频噪声 被滤除。电感的选择主要决定于电源中高频噪声的成分，这里选用了1 0 u h 的电感。 3 3 串口电路的通讯以及操作系统下的驱动 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，大多数计算机包含两个基于 r s 2 3 2 的串口。串口通信的概念非常简单，串口按位( b i t ) 发送和接收字节。尽管比 按字节( b y t e ) 的并行通信慢，但是串e 1 可以在使用一根线发送数据的同时用另一根 线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信，同时还可以在调试时与处理器 进行交互，传送和接收数据，在串口控制台打印和显示调试数据。 典型地，串口用于a s c i i 码字符的传输。通信使用3 根线完成：地线、发送、 接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上 接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、 数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配： ( 1 ) 波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的比的个数。 触n 3 0 0 波特表示每秒钟发送3 0 0 个b i t 。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特 率。例如如果协议要4 8 0 0 波特率，那么时钟是4 8 0 0 h z ，这意味着串口通信在数据线 上的采样率为4 8 0 0 h z 。 ( 2 ) 数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包， 实际的数据不会是扫位的，标准的值是5 ，7 并- 1 1 8 位。标准a s c i i 码是0 1 2 7 ( 7 位) 。扩 展的a s c i i 码是0 2 5 5 ( 8 位) 。如果数据使用简单的文本( 标准a s c i i 码) ，那么每个数 据包使用7 位数据。每个包是指一个字节，包括开始停止位，数据位和奇偶校验位。 ( 3 ) 停止位：用于表示单个包的最后一位。由于数据是在传输线上定时的，并 且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备问出现了小小的不同步。 因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会l l 6 1 。 适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时 也越慢。 ( 4 ) 奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、 奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置 校验位( 数据位后面的一位) ，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。 例如，如果数据是0 1 1 ，那么对于偶校验，校验位为0 ，保证逻辑高的位数是偶数 个。如果是奇校验，校验位位l ，这样就有3 个逻辑高位。高位和低位不真正的检查 数据，简单置位逻辑高成者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状 第3 章基于a r m 微控制器的系统模块设计 态，有机会判断是否有噪声干扰了通信成者是否传输和接收数据是否不同步。 串口驱动分为两个部分：串口底层操作和队列的操作。 队列实际上是缓冲区，暂存着将要发送和接受的数据的空间，而队列操作函 数实际上是用来操作缓冲区的，为了管理队列空间，设计一个d a t a q u e u e 的结构体。 t y p e d e fs t r u c t q u e u ed a t at y p e* o u t ； 宰指向数据输出位置，| q u e u e 木i n ；奎指向数据输入位置幸_ d a t a t y p e q u e u e d a t at y p e * e n d ；严指向b u 啪结束位置牛 u i n t l 6 n d a t a ； 产队列中数据个数奉 u i n t l 6 m a x d a t a ；严队列中允许存储的数据个数木 u i m 8 ( 木r e a d e m p t y ) ( ) ；木读空处理函数，i c u i m 8 ( 水w r i t e f u l l ) 0 ；产写满处理函数 q u e u e _ d a t a - j y p eb u f 1 ； 产存储数据的空间冰 ) d a t a q u e u e ； o u t 指向数据输出位置，i n 指向数据输入位置，e n d 指向b u f 的结束位置，n d a t a 保存队列数据个数，m a x d a t a 保存队列中允许存储的数据个数，r e a d e m p t y 为读空 处理函数指针，w r i t e f u l l 为写满处理函数指针，b u f 为存储数据空间的首地址。 ( 1 ) q u e u e c r e a t e 初始化数据队列一个队列中要包括可以存储最大数据数目， 队列的底端，入队列的位置，出队列的位置，队列已存数据的数目，以及队列写 满与写空的处理函数。 ( 2 ) q u e u e r e a d 获取队列中的数据，按照f i f o 的方式读取，从q u e u e o u t 位置 开始读取数据，如果到达数据的顶部，将出队列的指针q u e u e o u t 指到队列起