（计算机应用技术专业论文）开放式通用控制器的模型研究和实现.pdf

摘要开放式通用控制器的模型研究和实现 摘要 随着计算机、网络技术的发展，控制技术逐渐渗透到大型交通、航天、工农业生产、 楼宇管理以及智能家庭等领域。传统控制器存在不兼容、内部结构复杂、升级和二次开 发困难、技术滞后等缺陷，成为控制系统发展的瓶颈。开放式控制器能够在多种平台上 运行，可以和其他系统互相操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。开放式控 制器的研究具有现实意义，有利于控制系统的优化和推广，降低生产成本，成为控制系 统发展的未来之路。 开放式的控制器模式有：现代p l c 、i p c 、嵌入式的控制器。现代p l c 是对传统p l c 的改造；i p c 是基于标准计算机的工控机；嵌入式的控制器融合现代p l c 和i p c 双方面 的特点，成为控制系统开发的一种趋势。本课题研究的开放式通用控制器( o g c ) 融合 以上控制器的特点，可以根据现场要求裁减、扩展软硬件模块，将额外开销降到最小。 其稳定性高，占用资源少，没有不相关软硬件的干扰。而且o g c 控制器采用的嵌入式微 处理器集成度高，片上集成多种功能模块。采用嵌入式实时操作系统系统资源占用少， 稳定性提高，为上层应用软件的开发提供有力保证。在嵌入式控制器上移植w e bs e r v e r 和数据库应用支撑功能，实现远程w e b 监控和大量数据的分析处理功能。而且嵌入式环 境开发调试平台日益完善。 同时，随着网络技术尤其是工业交换以太网的发展，控制系统网络将朝着一体化方 向发展。这样能够更好地适应远程控制，远程诊断服务。 关键词：开放式控制器，嵌入式w e b 服务器，嵌入式数据库，即插即控 a b s t r a c t 开放式通用控制器的模型研究和实现 a b s t r a c t w i t hg r e a ti m p r o v e m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dn e t w o r kt e c h n i q u e ，i d e ao fa u t o m a t i c c o n t r o li sw i d e l ya p p l i e dt ot r a n s p o r t a t i o n , a e r o s p a c e ，i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ， b u i l d i n gm a n a g e m e n t , i n t e l l i g e n th o m e ，e t c h o w e v e r , t r a d i t i o n a lc o n t r o l l e rs y s t e m sg a i na v a r i e t yo fk i n d so fd e f e c t s ，s u c ha si n c o m p a t i b i l i t y , h i 曲c o m p l e x i t y , d i f f i c u l tt ou p g r a d e ， u n a b l et os e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，t e c h n i q u eb e h i n dh a n da n ds oo n , w h i c hb e c o m ea b o t t l e n e c kf o rd e v e l o p i n gc o n t r o ls y s t e m a sam u l t i p l ep l a t f o r ms y s t e m s ，o p e nc o n t r o l l e r s y s t e mi s a b l et oi n t e r a c t 、析t l lo t h e rs y s t e m sw e l la n dp e r f o r mm o d u l a ri n t e r f a c ef o r c u s t o m e r sa su s e f u la sp o s s i b l e a sar e s u l t , o p e nc o n t r o l l e rs y s t e mi so fp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et or e s e a r c h i ti sc o n d u c i v et op r o m o t et h eo p t i m i z a t i o na n da p p l i c a t i o n sa n d l o w e rp r o d u c t i o nc o s t m o r e o v e r ，i ti san o v e lw a yf o rf u t u r ed e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m o p e nc o n t r o l l e rs y s t e mp a t t e mi ss h o w na sf o l l o w s ：m o d e mp l c - e v o l v e m e n to f t r a d i t i o n a lp l c ；i p c - - s t a n d a r d s b a s e dc o m p u t e r ；e m b e d d i n gc o n t r o ls y s t e m - i n h e r i t sb o t h a d v a n t a g e so fm o d e mp l ca n d p ca n db e c o m e san e wt r e n df o rd e v e l o p m e n to fc o n t r o l s y s t e m i nt h i sp a p e r ，w ef o c u so nt h ea d v a n t a g e so fc o n t r o l l e rf u s i o nb e t w e e no g ca n d o t h e r s t h a ti st os a y ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s ，t h ew h o l ec o s tw i l lb er e d u c e db y c o m p r e s s i n g ，e x t e n d i n ga n dr e m e d y i n gt h ec o n t r o l l e rs y s t e m a f t e rt h a t ，t h es y s t e mo w e s 1 1 i 曲s t a b i l i t y , o c c u p i e sl o wr e s o u r c e sa n dc a nn o tb ed i s t u r b e db yh a r d w a r eo rs o f t w a r e b e s i d et h em a r k n e v e r t h e l e s s ，h i 2 曲i n t e g r a t i o no fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r sm a k e st h ec h i p o b t a i n sm u l t i f u n c t i o nm o d u l e s t h ep l a t f o r mi si m p r o v i n gb e a e ra n db e t t e r e m b e d d e d r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mc a l lo c c u p yl o ws y s t e mr e s o u r c e sa n dp r o v i d eas t r o n gg u a r a n t e e f o rt h eu p p e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t a sar e s e t , t r a n s p l a n t i n gw e bs e r v e ra n d d a t a b a s eo nt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r sf o ra p p l i c a t i o n so fu p p e rf u n c t i o n s ，w i l lc a r r yo u t r e m o t ew e bm o n i t o r i n ga n da n a l y s i so fl a r g ea m o u n t so fd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n s c o n t r o ls y s t e mw o r k sw i t hn e t w o r k , i n c l u d i n gl o n g - d i s t a n c ec o n t r o lt h r o u g ht h e i n t e m e t ，i n t r a n e tr e a l i z et h em a n a g e m e n to fe n t e r p r i s e s ，a n dn e t w o r ko ft h ef i e l d w o r ku s et h e p l u g - a n d p l a yt e c h n o l o g yw i l lb eao b v i o u st r e n di nt h ef u t u r e k e yw o r d ：o p e nc o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e dw e bs e r v e r ，e m b e d d e dd a t a b a s e ， p l u ga n dc o n t r o l 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：二篷：壁选晤年乡月巧日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生躲篮塑l 。矿年月坯日 硕士论文开放式通用控制器的模型研究和实现 i 绪论 开放式控制器成为控制领域发展的必然趋势，具有良好的实用性和广阔的市场价 值。本章对开放式控制器的背景、研究意义以及目前国内外的发展状况进行论述。 ? 1 1 课题背景研究意义 随着计算机、网络技术以及控制器的发展，人类生活生产自动化程度不断提高，生 产更加安全高效，日常生活更加便捷。控制器在大型交通、航天、工农业生产、楼宇管 理以及智能家庭领域有着举足轻重的作用。可以明显感受到控制系统中的被控对象有了 从简单到复杂，从局部到整体，从单点到多点，从现场到远程的跨越。实现功能也日益 多样化，复杂化。传统的控制器是一种专用的封闭的体系结构。硬件方面，各厂家的主 板、伺服电路板专门设计，厂家之间的产品无互换性，通信接口固定。软件方面，软件 可移植性伸缩性差，二次开发困难。传统控制器专用性强，通用性差，不利于功能扩展 和技术更新，对制造商和用户的要求比较高，成为控制系统进一步发展的瓶颈。显然随 着用户需求的多样性和计算机，尤其是通信、操作系统、网络的飞速发展，集成化、模 块化、网络化、智能化的开放式控制模式成为未来控制系统结构发展方向，协同计算环 境的控制系统被工业控制领域广泛接受和采用。 目前，基于通用p c 的开放式控制器已经发展到一个很高的水平，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j 成为实现低成本工业 自动化的重要途径但是也存在一些不足，比如成本仍然比较大，其次开放性是p c 机固 有的，不是针对数控加工特制的开放式结构。另外p c 机作为控制器核心的系统，本身 通用的操作系统就要占用不少的系统资源，很多与控制无关的任务占用了不少系统工作 份额，干扰了现场加工控制的实时效应，降低了系统对现场事件的处理速度，造成不稳 定性。 软p l c 出现时，业界认为工业p c 将会取代p l c 。然而，时至今日工业p c 并没有代 替p l c ，主要有两个原因：一个是系统集成原因；另一个是软件操作系统的原因。一个 成功的p c - b a s e d 控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成；二 是向客户提供所需要的所有东西。可以预见，工业p c 与p l c 的竞争将主要在高端应用 上，其数据复杂且设备集成度高。工业p c 不可能与低价的微型p l c 竞争，这也是p l c 市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业p c 和p l c 之间，这些融合的迹象已经出现。 因此基于嵌入式的控制器成为控制系统开发的一种趋势，有p l c 和工业p c 双方面 l 1 绪论硕士论文 的特点。可以根据现场要求裁减、扩展软硬件模块，将额外开销降到最小。其稳定性高， 占用资源少，没有不相关软硬件的干扰。而且嵌入式微处理器集成度高，片上集成多种 功能模块，开发调试平台日益完善，嵌入式实时操作系统资源占用少，稳定性提高，为 上层应用软件的开发提供有力保证。 因此，结合当前开放式控制器开发的基本思想，融合p l c 和i p c 工控机控制器的优 点，构架一个基于嵌入式平台的开放式控制器，根据其开放性通用性特征，称之为o g c ( o p e ng e n e r a lc o n t r o l le r ) 控制器。本课题设计的o g c 控制器，具有开放性特征的 同时，也具有通用性的特点，可以用于众多领域，如工业制造、农业生产、家庭多媒体、 楼宇监控、交通管理、航天等。 1 2 开放式控制器的发展概况 封闭式的控制器各控制系统间通信交互差，大量专用软硬件的投入，阻碍了设备的 使用和维护；而且对系统的扩充和更新有限，造成设备制造商对系统供应商的依赖，难 以将自己的技术集成到控制器中；专用的软硬件结构使得开发投资大，更新慢。这些缺 陷难以适应市场竞争，阻碍了制造业信息化的发展进程。因此开放式控制器成为今后控 制领域的发展方向。 1 2 1 开放式控制器的概念 目前对开放式控制系统的具体定义还没有统一、明确。从开放的观点来看，i e e e 定 义开放式控制系统为：“符合系统规范的应用，可以运行在多个销售商的不同平台上， 可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。可以这样理解， 开放式结构控制器是指：控制器设计的各个层次对用户开放，用户可以方便地扩展和改 进其性能。其主要思想是： ( 1 ) 利用基于非封闭式计算机平台的开发系统，如s u n ，p c s ，s g i ，有效利用标准 计算机平台的软、硬件资源，为控制器扩展创造条件。 ( 2 ) 利用标准的操作系统，如u n i x 、l i n u x 、v x w o r k 和标准的控制语言，如c 、c + + 。 ( 3 ) 采用标准总线结构，使得为扩展控制器性能而配置的硬件，如各种传感器、 i o 板、运动控制板可以很容易地集成到原系统中。 ( 4 ) 利用网络通讯，实现资源共享或远程通讯。基于服务器端移植的w e bs e r v e r ， 客户端只要有浏览器就可以监控终端设备。 1 2 2 国内外开放式控制系统发展现状 控制系统计算机平台已成为必然的趋势，计算机平台以其本身良好的开放性成为开 放式控制系统的基础。计算机的软硬件发展快速，成绩斐然，。在开发控制系统时应充分 2 硕士论文开放式通用控制器的模型研究和实现 利用计算机软硬件资源，与计算机同步发展，加快控制系统的发展速度。工业个人计算 机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r m l p c ) 是一种加固的增强型个人计算机，它可以 作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在8 0 年代初期，美国a d 公司就推出了 类似i p c 的m a c - 1 5 0 工控机，随后美国i b m 公司正式推出工业个人计算机i b m 7 5 3 2 。由 于i p c 的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。目前，i p c 已被广泛应用于 通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。在控制领域，基 于计算机的开放式数控系统主要有三种u 。： ( 1 ) p c 嵌入n c 型。该类型将p c 作为专用控制器的前端接口，把p c 嵌入到n c 内 部，使传统的专用n c 带有个人计算机的特点，n c 与p c 之间用专用的总线连接。该系统 的n c 作用没有改变，进行实时插补，伺服控制、电源控制以及p l c 控制等一些实时控 制。p c 执行人机界面、存储和通讯等非实时性任务。此类系统尽管也具有一定的开放性， 但由于其n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的，不能实现n c 内核 的开放。f a n u c1 6 0 、西门子8 4 0 、美国a b9 3 6 0 等数控系统就采用此种结构。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型。以p c 机作为系统的核心，n c 部分集成为运动控制卡，把运动 控制卡插入到p c 机的扩展槽中完成数控系统的功能，软件的通用性好，一般p c 机处理 各种非实时任务，运动控制卡处理实时任务。基于l a b v i e w 的开放式数控系统及其网络 监控的初步研究优点是可运行用户自定义的软件，成本低，界面比传统的c n c 友好等。 ( 3 ) 软件( s o f t ) 型。c n c 功能基本由应用软件来实现，而硬件部分仅是计算机与 伺服驱动和外部i o 之间的标准化接口，具有最好的开放性，能实现n c 内核的开放、 用户界面的开放。但系统的实时性要求处理比较困难，技术要求高，实现起来难度大。 但是代表着控制系统的发展方向。 开放式控制系统最有代表性的是美国的n g c 和o m a c 计划、欧盟的o s a c a 计划以及 日本的o s e c 计划，这三个计划的发展基本上反映了国外开放性控制系统的发展现状口。 ( 1 ) o m a c 计划：该计划的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开 发周期，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用 和高效的控制器重构机制， 简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展。事 实上美国工业界认为o m a c 是一种概念，而不是一种控制器或标准。o m a c 自身也意识到 这一问题，它目前正逐步与o s a c a 等进行联合。 ( 2 ) o s a c a 计划：第一阶段o s a c a ，完成了o s a c a 规范和应用指南的制定。其第二期 工程主要完成依照o s a c a 规范为其系统平台开发标准的、通用的软件模块和通用的 o s a c a 系统平台，建立一个五轴系统环境，用以调试、验证、扩展前一阶段的各种规范。 o s a c a 第三阶段推广o s a c a 思想及前期工作的技术成果，时为了建立一个国际性的标准， 而与日、美的相关机构进行接触。o s a c a 的目标之一，是成为自动化领域的通用国际标 准，将研究范围涵盖了整个自动化领域，并投入了巨大的人力、物力和财力。但是直到 1 绪论 硕士论文 o s a c a 计划结束，也没有诞生真正意义的开放式控制器产品甚至原型。 ( 3 ) o s e c 计划：建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以日本国际 机器人和工厂自动化研究中心( r i o f a ) 所提出的控制系统参考模型为基础，提出了一个 开放体系结构。实现了i r o f a 的参考体系结构，并增加了定制和分化产品的功能。 国内控制系统的发展还处于起步阶段，但是国家组织产业技术攻关，有关开放式控 制器的国家标准正在制定中，控制系统技术获得了质的飞跃，开发出一批具有自主知识 产权的中高档数控系统。以p c 机为基础的数控系统中华i 型、航天i 型和华中i 型， 以及蓝天8 5 2 0 8 5 3 0 高档数控系统。这些系统具有一定的开放性，而且硬件可靠性提高， 但还不具备开放式数字控制器的本质特征，主要问题在于各系统所采用的体系结构并不 一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于 具体实现层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各系统软硬件可移植性和互操 作性不强。其次，没有充分利用像w i n d o w s 、u n x i l i n u x 、v x w o r k s 等新型操作系统。 软件开发思想与技术处于结构化程序设计的水平，没有充分利用面向对象、软件重用等 软件工程中的新理论、新技术模块化设计。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然 依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的 思想或产品融入到系统中去。在2 0 0 0 年我国也开始进行中国的o n c 数控系统的规范框 架的研究和制定。总之，我国的开放式控制器的发展依旧任重而道远，相信通过各方努 力能够最终确立自主的体系结构，提高国际竞争力。 1 2 3 开放式控制器的发展前景 开放式控制器朝着智能化，网络化、标准化、高速、高效率、高精度的方向发展。 随着企业自动化程度不断提高，网络成为信息技术的主流，控制系统在远程监控领 域的应用也日益普遍。i n t e r n e t 和i n t r a n e t 是网络技术应用的两个重点，i n t e r n e t 是 世界上最大的计算机网络，拥有无限的信息资源，i n t r a n e t 是组成i n t e r n e t 的基本单 元，并可以与i n t e r n e t 相连接。原先工业控制系统大都只是在企业内部管理层采用以 太网技术，而在现场控制网络层则采用各种不同的现场总线技术，但是就目前情况来看， 现场总线技术的发展还存在诸多需要解决的问题，最主要的是没有一个统一的国际标 准，由于不同现场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线间的互联较复杂，需要 增加网桥和网关等设备，费用比较高。此外，现场总线技术传输速度较低，无法满足日 益增长的相应速度问题。以太网( e t h e r n e t ) 技术则以其成熟的技术、低廉的网络产品、 丰富的开发工具及技术支持等优点迅速占有工业控制领域的市场。以太网技术是目前应 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。控制现场使用以太网技术，实现了企业管理层与生产车间、生产现场以 及i n t e r n e t 的信息交互，构成一体化的控制网络系统。 采用高度集成化的c p u 、r i s c 芯片和大规模集成电路，提高系统及集成度和可靠性， 4 硕士论文开放式通用控制器的模型研究和实现 以及软硬件的运行速度。 智能化指建立以工艺参数数据库为支撑的，具有人工智能的专家系统来指导加工， 控制系统能够自诊断故障，也可以引入模式识别的技术，按照自然语言命令进行加工。 控制系统采用面向对象的模块化设计，使得数控系统功能覆盖面大，可裁减性增强， 便于满足不同用户的需求。 由于基于p c 环境的开放式控制器，对系统资源没有做到最有效的利用，基于嵌入 式的控制器也成为控制系统发展的一个新方向。下面一节介绍嵌入式系统的发展。 1 3 嵌入式系统的发展概况 随着嵌入式技术的发展，基于嵌入式的控制器成为控制系统开发的一种趋势，可以 根据现场要求裁减、扩展软硬件模块，将额外开销降到最小。 1 3 1 嵌入式系统的定义和特点 嵌入式系统集应用硬件与软件于一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快 等特点，特别适合于实时性要求高的系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、i o 输入 输出设备、存储器、嵌入式软件系统等组成。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相 比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用计算机c p u 最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利 于嵌入式系统设计趋于小型化，增强移动能力，与网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争 力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 1 3 2 嵌入式系统应用 p c 的问世使人类步入信息化时代，但是仍然需要人坐在电脑面前进行操作。嵌入 式系统将会将信息化融入到生活生产的每个角落，也许人类一个简单动作就是一次操 s l 绪论硕士论文 作。嵌入式系统应用包括： ( 1 ) 家庭信息网络，家用电器向数字化和网络化发展，电视机、微波炉、数字电 话等都将通过家庭网关与i n t e r n e t 连接，构成家庭信息网络。届时，人们可以远程控 制家里的电器设备，可以实现远程医疗、远程教育，可以视频点播，实现交互式电视， 还可以提供各种网上服务等。不论是高度集成的智能数字终端，还是各类数字融合产品， 都离不开嵌入式系统的支持。可以说，嵌入式系统是家庭信息网络、i t 融合的重要技术 基础。具有丰富功能，高度集成的智能数字终端将是未来的发展方向。 ( 2 ) 移动计算设备，包括手机、p d a 、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大的 手机用户，而掌上电脑或p d a 由于易于使用、携带方便、价格便宜，未来几年将得到快 速发展。p d a 与手机也已呈现融合趋势。使用掌上电脑或p d a 上网，人们可以随时随地 获取信息。智能手机是今后的发展方向，可以说智能手机就是一台嵌入式系统。 ( 3 ) 网络设备，路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入网关等都是一类嵌入式系 统。嵌入式i p 技术是嵌入式i n t e r n e t 中的一个基本问题，设备的功能性和可靠性紧密 依赖于嵌入式i p 的芯片和基于t c p i p 的协议栈软件。嵌入式系统也在向无线网络w l a n 发展，无线嵌入式网络有望部署到住宅及商用建筑自动化、工业设备监测以及其他无线 传感和控制应用中。 ( 4 ) 自动化测控仪器仪表，在工控和仿真领域，嵌入式设备也早已得到广泛应用。 我国的工业生产需要完成智能化、数字化改造，智能控制设备、智能仪表等为嵌入式系 统提供了巨大的市场。工控、仿真、数据采集等领域一般都要求实时操作系统支持。在 金融业、电力系统和服务业，嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。 ( 5 ) 交通电子与嵌入式系统，在交通系统，嵌入式的作用也日益重要i 汽车智能驾 驶设备、汽车模拟驾驶器、汽车喷油泵调试台、轮船智能驾驶设备等都面临更新换代。 这类新型设备也都离不开嵌入式系统。嵌入式系统在交通指挥系统、高速公路收费监控、 汽车自导航、g p s 车载终端、电子警察和汽车检测中的应用都是非常广泛的，有良好的 市场前景。 1 4 工作内容和论文结构 1 4 1 工作内容 开放式控制器是控制领域信息化的基础，其硬件、软件都遵循标准开发，并且满足 模块化、网络化的设计要求。开放式控制器成为许多研究机构、大学和企业重点研究项 目。本课题的最终目的是设计一个性能稳定的开放式通用控制器。 本课题的工作内容主要有： ( 1 ) 开放式通用控制器( o g c ) 的设计。比较当前的开放式控制器如：现代p l c 、 i p c 和p a c ，融合各方优势，提出基于标准嵌入式平台的开放式通用控制器( 0 g c ) 体系 6 硕士论文开放式通用控制器的模型研究和实现 结构。分析如何在o g c 控制器硬件层、硬件抽象层、操作系统层、应用支撑层、应用层 实现开放性。并从硬件接1 3 扩展、现场设备即插即控、开放式的控制界面、网络一体化 等角度详细论述如何实现o g c 控制器的开放性。 ( 2 ) 基于远程监控应用的o g c 控制器模型实现。设计开放式控制器系统平台，移 植操作系统、w e b 服务器、嵌入式数据库、通信协议栈，为应用层操作提供服务。设计 开放式的人机交互界面和即插即控通信程序，模拟多个智能设备即插即用功能，用户可 以方便地通过浏览器对多个智能设备进行监控、设置相关联设备实现设备间的互控。 ( 3 ) o g c 控制器综合性能优化的关键技术研究。实时性是控制系统稳定运行的保证， 可以对操作系统、以太网、数据库等进行实时性改造。随着控制系统网络一体化的发展， 必须要加强o g c 控制器安全性。同时，o g c 控制器针是对多任务、多设备、多用户的控 制系统，因此要考虑多任务并行处理，将有限的系统资源达到最合理的利用。 1 4 2 论文组织 第一章绪论，对研究意义、开放式控制器发展状况、研究前景等进行综述。 第二章开放式控制器的结构设计，为了更好地阐述控制器，首先对开放式控制系 统的结构进行阐述，随着以太网在控制现场的应用，控制领域网络化、一体化特征更加 明显。并对几种开放式控制系统进行分析比较，提出o c - c 控制器体系结构。 第三章o g c 控制器的开放性设计，论述o g c 控制器的系统结构设计及特点。并从硬 件接口扩展卡、即插即用、开放式的w e b 控制界面三个角度来详细论述o g c 控制器开 放性设计。 第四章基于数字家庭应用的o g c 控制器模型实现。介绍o g c 控制器的实现关键技 术，着重于系统构建和应用层的实现。 第五章o g c 控制器性能提高优化研究。开放式控制器的实时性研究、安全处理以及 本控制器的多任务，多设备，多用户处理研究。提高系统的稳定性。 第六章总结，指出了设计中需要完善的地方和课题进一步的研究方向。 7 2 放式控制8 镕构设计 女 2 开放式控制器的结构设计 本章主要论述开放式控制器的系统结构，但是为了更好地体现控制器在系统中的核 心作用，首先论述控制器运行的开放式控制系统的网络构成。然后对当前的开放式控制 器进行分析比较，融合各方的优势，提出o g c 控制器的设计理念。 2 1 开放式控制系统结构 为了更好地说明0 g c 控制器的设计理念，首先介绍o g c 运行的控制系统的拓扑结构， 因为控制系统功能对控制器的体系结构设计有着重要影响。o g c 控制器在整个控制系统 中处于核心位置，是客户端用户躁现场设备交互的桥梁，o g c 控制器在控制系统中的应 用如图211 所示。控制系统分布式模式的发展归功于计算机网络的发展，随着控制系 统的复杂化，网络技术自然被引入到控制领域并且开发出适用于工业控制环境的网络 结构和相关阿络协议。控制系统采用统一的同络协议和结构模型是控制系统开放性发展 的一个重要进程，t c p i p 协议是一个跨平台的通信协议族，能方便地实现互异的设各互 联，促进了计算机信息网络及i n t e r n e t 的发展。t c p i p 协议由信息网络向底层控制网 络延伸和扩展，形成控制与信息一体化全开放分布式网络，随着研究的深入，开放的嵌 入式网络控制系统成为控制系统结构首先的方案之一。该系统具有较高的开放性，通过 通用标准的阿络技术，将控制系统与信息网络连成一个整体。 目211 c h 放式控村系统框架图 2 1 1i n t e r n e t i n t e r n e t 实现全世界的信息共享，是一个全球性的计算机网络体系，把全球数万个 8 硕士论文开放式通用控制器的模型研究和实现 计算机网络，数千万台主机连接起来，包含了难以计数的信息资源，向全世界提供信息 服务，它的出现，是世界由工业化走向信息化的必然和象征。重要三个要素是：i n t e r n e t 是一个基于t c p i p 协议簇的国际互联网络：i n t e r n e t 是一个网络用户的团体，用户使 用网络资源，同时也为该网络的发展壮大贡献力量；i n t e r n e t 是所有可被访问和利用的 信息资源的集合。在控制领域可以通过i n t e r n e t 实现远程监控。 2 1 2i n t r a n e t i n t r a n e t 一般是企业内部局域网架构，基于标准i n t e r n e t 技术，利用i n t e r n e t 各个方面的技术解决企业内部网络问题。随着现代企业的发展越来越集团化，企业的分 布也越来越广，遍布全国各地甚至跨越国界的公司越来越多。这些集团化的公司需要实 现办公自动化，建立企业的信息系统。i n t r a n e t 使用w e b 工具，使企业员工和用户能快 速地浏览和采用企业内部和i n t e r n e t 上丰富的信息资源。i n t r a n e t 可以通过w w w 、f t p 、 e - m a il 等方式为信息网中的每台计算机提供下列服务：公司资料共享、实时信息传递、 动态数据查询、报表服务、网络教室及软件下载、联入i n t e r n e t 等。i n t r a n e t 拥有灵 活性高，透明度高等优点，缺点是安全防护限制等级往往较低，容易遭到攻击，为了保 护企业内部信息安全需要制定相关的安全机制。 2 1 3 现场总线技术和工业以太网 前面两种网络已经渗透到人类生活的每个空间，被大家熟知，无需多说，对现场设 备的网络化管理，是否也采用一个通用标准的互连方式仍然在探索中，虽然已经取得很 多成果，但是在标准上还没有形成一个明确的定义。 仅从网络结构上来说，网络控制系统和传统现场总线控制系统并没有区别，都是总 线网络，多个节点共享信道，用来传输实时或非实时数据；但从更深的层次看，现场总 线控制系统侧重的是节点之间实时或非实时数据的传输和共享，而开放式网络控制系统 则强调在通信网络上建立闭环控制回路。 目前主流的控制网络包括令牌传输总线、c a n 总线、工业以太网。令牌网能够在网 络高负荷时提供较好的吞吐量和效率。网络运行的时候，令牌总线可以动态添加删除节 点。c a n 是确定性协议，对短消息是最优化的，但是传输速率比较低，因此吞吐量受限， 不适合传大数据长度消息。由于互联网的普及，移动通信、多媒体技术、个人计算机及 操作系统网络支持功能的发展“网络接入业”的兴起，交换机、集线器、5 类双绞铜缆 等网络产品价格下降，以太网及互联网协议簇的应用技术深入到各种连网设备中，传输 方式由基带向载波、宽带等方式发展，网络速率由i o m 提升至1 0 0 m 、1 0 0 0 i b p s 等，对 自动化测控系统的数字通信技术的影响是非常深刻的，所以在自动化测控系统中兴起了 “工业以太网一热，总之，向着自动化测控系统网络朝着“e 网到底 的方向发展。 采用以太网作为现场控制网的网络结构，因为以太网在网络轻载的时候几乎没有延 9 2 开放式控制器结构设计 硕士论文 迟，不需要额外的带宽来获取网络通路。最大的优势在于可以形成控制与信息一体化全 开放分布式网络。主要特点： ( 1 ) 成本低廉，应用比较广泛，有很多硬件产品供用户选择，价格也比较合适。随 着集成电路技术的发展，价格还会进一步下降。 ( 2 ) 通信速率高，以太网的通信速率逐渐变高，l o g b s 以太网也不是神话，其通信 速率比现场总线快很多，可以满足对带宽有更高要求的服务。 ( 3 ) 标准化，以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术，收到广泛的技术支持。 基本的编程语言都支持以太网应用开发，具有很好的开发前景，可持续发展潜力大。 ( 4 ) 开放性，使现场可以连接企业内部网以及i n t e r n e t ，获取更多的共享资源，同 时实现远程监控，更加便捷，安全。形成控制与信息体化全开放分布式网络。 但是在现场采用以太网还有许多问题需要解决，以太网最好的利用是对时间要求不 高的大数据量的通信，因此以太网是非确定性协议而且不支持任何消息优先级，在高负 载的情况下，消息冲突会比较严重，就会影响数据的吞吐量增加时延。以太网最需要解 决的就是实时性问题，这个将在后面章节进一步阐述。 2 2 开放式控制器研究 控制器在整个控制系统中具有核心作用，下面着重论述控制器的设计实现。首先比 较当前主要开放式控制器的结构，融合各方特点，提出o g c 控制器体系结构，使之能够 满足上面描述的控制系统的应用需求。当前的控制器采用的技术主要有p l c 、i p c 、p a c ( p r o g r a m m a b l ea u t o m a t i o nc o n t r o l l e r ) 。目前控制领域的应用需求不断提高，可以 通过表2 2 1 来说明脚。 表2 2 1 自动化控制系统的应用发展 传统控制器开放式控制器 批次信息实时信息 非智能设备嵌入式智能设备 专用总线 工业以太网 有线连接界面无线传输界面 电子数据交换系统可扩展标记语言x m l s o a p 独立封闭系统 服务导向式架构 近距离连接集成远距离网页式服务 有限数据处理大量数据分析处理 虽然传统p l c 能够满足8 0 的工业控制需求，其价格低廉，稳定可靠的特点是其一 直活跃于控制领域的基本原因。通过比较可以发现，传统的p l c 控制器已经不能满足现 1 0 硕士论文开放式通用控制器的模型研究和实现 在控制领域的需求，也就是说仍然有2 0 的控制要求是传统p l c 难以满足的，需要现代 p l c 、i p c 或者p a c 来实现。随着时代的发展，科技的进步这个比例将会进一步调整。未 来控制将会必定朝着开放式、标准化、网络化、智能化的方向发展。 下面重点研究三种结构的开放式控制器：p l c 、i p c 、p a c ，研究其各自的特点，融 合各方优势，设计基于嵌入式平台的o g c 控制器。 2 2 1p l c ( 可编程控制器) p l c 即可编程控制器( p r o g r a m m b i el o g i cc o n t r o l l e r ) ，在1 9 8 7 年国际电工委员 会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e ) 颁布的p l c 标准草案中对p l c 做了如下定 义：p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可 以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术 运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生 产过程。p l c 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩 展其功能的原则而设计。 p l c 的工作原理，p l c 采用“顺序扫描，不断循环 的工作方式h 】。 1 - 每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 2 输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态， 新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5 扫描周期的长短由三条决定：c p u 执行指令的速度、指令本身占有的时间、指令 条数。 6 由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入输出滞后的现象，即输入输出 响应延迟。p l c 是逻辑继电器的取代者，硬件与软件的区别。 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括c p u 板、 i o 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则 组合配置哺1 。传统p l c 的缺陷： 1 传统的p l c 均不能提供主动的事件通知，系统的集中监视管理有赖于服务器主 机的主动定时查询； 2 实时信息欠缺，要实现跨p l c 的事件处理比较困难，且速度延迟，效果不佳； 3 无法提供本地直接处理的预约控制，预约控制完全有赖于服务器主机的集中处 理，所以系统当机时，立刻停摆； 4 系统的建构由于采用了不同供应商的多种平台，为整合各种不同的专用总线，系 2 开放式控制器结构设计 硕士论文 统之衔接有赖于第三方提供的o p cs e r v e r 或g a t e w a y ，故其实施并不是一件轻松和容易 的事情； 5 系统升级将必须付出重新设计的成本和时间，其不可预见成本太高； 6 梯形图程序的设计是基于个案进行，每一专案均无法完全复制应用，无法实现标 准化，从而工程设计费用无法降低； 7 现行自动化系统的数据容量太小，在适应新的应用需求时显得力不从心； 8 无法实现实时同步远程的数据传输，与p d a 、手机的连接比较困难； 9