（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的组合仪表管理单元设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，作为发电机组的核心部分一汽轮发电机的单机容量不断增大， 自动化程度不断提高，为了保障汽轮机的安全运行，需要配备一整套测量精确、 高可靠性的监视保护系统。正由于这样的市场需求，应用于汽轮机的监视保护 组合仪表应运而生。为了满足国内电力行业日益发展的需求，打破国外在汽轮 机的监视保护组合仪表领域的垄断，以赶超国际先进技术为目标，本文提出了 一种针对汽轮机监视保护组合仪表的管理单元设计。本设计的实现基于开放源 代码的嵌入式操作系统a r ml i n u x 和标准的工业现场总线协议m o d b u s ，因此 具有良好的通用性和可扩展性，能够被广泛应用到对其他各类大型旋转机械的 监视保护之中，也可作为其他嵌入式l i n u x 系统的设计和实现的参考。 本文提出的汽轮机监视保护组合仪表由管理单元和各种功能单元组成，各 个功能单元通过标准r s - 4 8 5 串行总线与管理单元相连接，由管理单元对系统各 个功能单元进行统一管理。系统中各个功能单元用于连续检测汽轮机各个部分 的运行状态，记录测点的有效参数。管理单元根据监测数据，现场提供监视报 警、实时数据显示、历史数据记录和报警记录给汽轮机操作人员。管理单元同 时还要根据系统需要将数据上传至连接到组合仪表的上位计算机。为管理人员 了解设备运行情况、及时调整运行参数、提高生产效率和保障汽轮机的安全运 行提供必不可少的参考依据。管理单元还可以将上位机的组态命令传送到各个 功能单元，设置功能单元的工作状态。总之，连接了上位机和各个功能单元的 管理单元是整个组合仪表中最重要的部分。 本设计以实际应用为目标，深入现场进行了详尽完善的功能需求分析；从管 理单元的硬件平台设计开始，以可靠性和稳定性为目标，对嵌入式微处理器的 选择、串行通信接口电路的设计和电源模块电路的抗干扰设计均做了充分而全 面的考虑；以模块化和易扩展的思想为指导，搭建了基于嵌入式操作系统a r m l i n u x 的软件平台，给出了系统的总体框架及设计方案。本文介绍了嵌入式操作 系统a r mi i n u x 的移植，系统主要设备的驱动程序编写方法，以及相关技巧。 说明了系统应用程序各个任务的划分和它们的调度策略，串行通信功能的设计 与实现，并给出了主要任务的流程。 本文最后说明了作者对系统进行的可靠性测试和c p u 占用率测试，以及系 统功能测试的方法和结果。总结了整个设计中的心得体会，并提出了有待进一 步深入研究和探索的问题。 关键词：组合仪表，a r ml i n u x ，m o d b u s ，嵌入式1 j n u x 系统，多任务 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h ek e yp a r to fp o w e rg e n e r a t o r t u r b i n e sc a p a c i t ya n di n t e l l i g e n c e a r cc o n t i n u o u sa u g m e n t i n g t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft u r b i n e , ac o m p r e h e n s i v e s u p e r v i s o r ys y s t e mo fh i g hp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yi sn e e d e d s oa ni n s t r u m e n t c l u s t e ra p p l i e dt ot u r b i n es u p e r v i s i o na p p e a r sf o rt h i sm a r k e td e m a n d i no r d e rt o m e e tt h er a p i dd e v e l o p m e n tn e e do fh o m ee l e c t r i c i t yi n d u s t r ya n ds m a s hu pf o r e i g n m a n u f a c t u r e r s m o n o p o l yi nt h ef i e l do ft u r b i n es u p e r v i s o r yi n s t r u m e n tc l u s t e r , a i m i n ga to v e r t a k i n gi n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sp r o p o s e sad e s i g n o ft u r b i n es u p e r v i s o r yi n s t r u m e n tc l u s t e r sm a n a g e m e n tu n i t t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h i sd e s i g ni sb a s e do no p e ns o u r c ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r ml i n u xa n d s t a n d a r di n d u s t r i a lf i e l dp r o t o c o lm o d b u s ，s oi ti so fg o o dg e n e r a l i z a t i o na n d e x t e n d i b i l i t y ，w h i c hc a nb ea d a p t e dt oo t h e rr o t a t i n ga p p a r a t u ss u p e r v i s o r ys y s t e m s e a s i l y , a n da l s op r o v i d e sag u i d a n c e f o rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo t h e r e m b e d d e dl i n u xs y s t e m s t h et u r b i n es u p e r v i s o r yi n s t r u m e n tc l u s t e ri sc o m p o s e db yam a n a g e m e n tu n i t a n dv a r i o u sk i n d so ff u n c t i o nu n i t s ，a n de a c hf u n c t i o nu n i ti nt h i ss y s t e mi sc o n n e c t e d t om a n a g e m e n tu n i tu s i n gs t a n d a r dr s - 4 8 5s e r i a ll i n e , u n d e rt h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l o fm a n a g e m e n tu n i t e a c hf u n c t i o nu n i ti su s e df o rc o n t i n u o u sm o n i t o r i n ga l lt h e p a r t so ft h et u r b i n ea n dr e c o r d i n ga l lt h ev a l i dp a r a m e t e r so fe a c hd a t aa c q u i s i t i o n p o i n t m a n a g e m e n tu n i tp r o v i d e so n l i n em o n i t o r , r e a l t i m ed a t ar e p r e s e n t a t i o n , h i s t o r i cd a t ar e c o r da n da l a r mr e c o r dt ot h et u r b i n eu s e r sa c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n g d a t ap r o v i d e db yf u n c t i o nu n i t s m a n a g e m e n tu n i ta l s on e e dt ot r a n s m i tt h ed a t at o u p p e rc o m p u t e r sw h i c hc o n n e c t e dt ot h ei n s t r u m e n td u s t e r t h e s ed a t aw i l ls e r v ea s a ni n d i s p e n s a b l er e f e r e n c ef o rt h et u r b i n ea d m i n i s t r a t o r sw h e nt h e yn e e dt ok n o wt h e o p e r a t i n gs t a t eo ft h et u r b i n e , a d j u s tt h ep a r a m e t e r so ft u r b i n e , i m p r o v et h e p r o d u c t i v i t ya n de n s u r et h es a f e o p e r a t i o no ft h et u r b i n e b e s i d e s , m a n a g e m e n tu n i t c a na l s ot r a n s m i tt h o s ec o n f i g u r a t i o nc o n m a a n d sf r o mu p p e rc o m p u t e r st of u n c t i o n u n i t s ，w h i c hw i l lc h a n g et h eo p e r a t i n gs t a t eo ff u n c t i o nu n i t s i naw o r d , m a n a g e m e n t u n i t ，w h i c hc o n n e c t su p p e rc o m p u t e r sa n dl o w e rf u n c t i o nu n i t s ，i st h em o s ti m p o r t a n t p a r to ft h ew h o l ei n s t r u m e n tc l u s t e r t h i s d e s i g n a i m sa tt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , m a k e sad e t a i l e da n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p r e h e n s i v ef u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n a l y s i s i nt h ef i e l d ；f r o mt h e d e s i g no f m a n a g e m e n tu n i t sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a i m i n ga tr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y ，t h i sd e s i g n t a k e sag r e a tc o n s i d e r a t i o ni ns e l e c t i n ge m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t , d e s i g no f s e r i a ll i n ei n t e r f a c ec i r c u i ta n da n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g no fp o w e rs u p p l ym o d u l e c i r c u i t ；b yt a k i n gm o d u l a r i z a t i o na n de a s y - t o - e x t e n d 鹤t h eg u i d e l i n e s t h i sd e s i g n b u i l d sas o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do na r m l i n u x , b r i n g su pt h ef r a m e w o r ko fe n t i r e s y s t e ma n dd e s i g nb l u e p r i n t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep o r to fa r ml i n u x ，h o wt o w r i t el i n u xd e v i c ed r i v e r sf o rm a i nd e v i c e si nt h es y s t e ma n dt i p s t h st h e s i s i l l u s t r a t e st h es p l i to ft a s k si nt h es y s t e ma p p l i c a t i o na n dh o wt us c h e d u l et h e s et a s k s , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs e r i a ll i n ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n , a n dg i v e st h e f l o wc h a r t so fm a i nt a s k s f i n a l l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e st h er e l i a b i l i t yt e s t i n ga n dc p uu s a g er a t i ot e s t i n go f t h es y s t e m , a n dt h em e t h o da n dr e s u l to ft h ef u n c t i o n a lt e s t i n go ft h i ss y s t e m 1 卫e a u t h o ra l s os u m m a r i z e st h eg a i n sa n dt i p si nt h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n , p u t s f o r w a r ds o m ep r o b l e m sr e m a i n e dw h i c hc a l lf o rf u t u r er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n k e y w o r d s ：i n s t r u m e n tc l u s t e r , a r ml i n u x , m o d b u s ，e m b e d d e dl i n u xs y s t e m s ， m u l t i - t a s k i n g i i i 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意一 研究生签名： 垂篮日期塑丝：三：梦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签 注；请将 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及课题来源 随着我国经济近年来的持续飞速发展，电力作为一种不可或缺的能源在国 计民生中发挥着不可替代的作用。因此，全国各地借助火力、水力和风力发电 的发电厂也得到了迅速发展。汽轮发电机是电力行业的关键大型设备，随着我 国电力工业的发展，汽轮机组单机容量不断增大，一旦发生故障，造成的损失 将会非常严重。汽轮机监视仪表在机组启停和正常运行中，实时监测转子轴承 振动、偏心、轴向位移、胀差、缸胀、转速等参数，并提供超限报警、停机保 护等功能，对汽轮机组的安全运行起着十分重要的作用，己成为汽轮机组上必 不可少的关键设备之一1 1 】。因此，针对汽轮机和其他各类大型旋转机械的监测仪 表具有宽广的应用范围和良好的应用前景。 自上世纪7 0 年代起，我国开始陆续引进国外的旋转机械监视保护系统，主 要为美国本特利、日本新川和德国西门子等的产品。这些国外产品虽然性能稳 定、可靠性强，但价格昂贵，操作界面也不友好。目前我国电厂2 0 0 m w 以上机 组的汽轮机监视保护系统大多采用国外进口产品，国内多数产品多基于8 位低 端微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) ，其精度、系统集成、网络通信、稳定性与 可靠性、运行速度等方面已经无法满足当前电力行业迅猛发展的需要【2 】。有鉴于 此，有必要开发一种更加先进的基于3 2 位嵌入式微处理器e m p u ( e m b e d d e d m i c r op r o c e s s o ru n i t ) 的汽轮机监测仪表，相对于原有产品在性能上有巨大提升， 提供对现代化的工业总线的支持，并且通用化程度高，整体成本较低，能够被 广泛应用到针对汽轮机等各类大型旋转机械的监视保护之中。 1 2 本课题的研究内容 1 2 1 课题研究的嵌入式平台架构 在旋转机械设备的自动化程度不断提高的同时，对系统可靠运行的指标也 武汉理工大学硕士学位论文 不断提高。在不同的任务阶段和不同检测地点，应采用不同的方法，对系统的 在线运行状况进行及时地、全面地监测和诊断。目前，随着数据采集芯片的精 度和速度的大大提高，和各种微处理器在嵌入式系统上的灵活应用，使得实现 精度更高、速度更快、工作更有效的汽轮机监测组合仪表成为可能。这种监测 组合仪表不断监测汽轮机各个关键部分的运行状态和参数，记录有效的采集数 据。对于整个汽轮机监测组合仪表而言，其中的单个仪表用于完成不同部分的 监测功能，因此常被统称为“功能单元”。国内的大多数汽轮机监测仪表功能单 一，且各自独立，缺乏对各个功能单元的统一管理功能。同时，也未能很好地 实现通过上位机组态方式对不同的功能单元进行组态的功能，这给操作人员使 用和维护功能单元带来很大的不便。为了克服这些不利因素，本课题研制了一 种汽轮机监测组合仪表的管理单元，它是一种可以在上位机和各个功能单元之 间起到“承上启下”作用的嵌入式系统。 本论文的研究方案所讨论的汽轮机监测组合仪表管理单元基于3 2 位a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，采用m o d b u s r t u 通信协议， 同时可以通过r s - 4 8 5 标准串行通信接口与多个功能单元进行通信的通信模块。 这样，系统可以监测、采集各个功能单元的实时数据，并在l c d 上以图形方式 显示它们的运行情况。操作人员可通过上位机软件或者管理单元的触摸屏，将 组态命令发送给指定的功能单元，实现了功能单元的统一管理，简化了操作功 能单元的复杂程度，便于配置和管理。同时在管理单元中移植的嵌入式操作系 统a r ml i n u x 源代码开放，便于将来根据用户的需求扩展应用程序的功能，并 且具有二次开发的能力。 本课题通过设计一种基于嵌入式l i m u x 的汽轮机监测组合仪表的管理单元， 着重介绍了以一款3 2 位a r m 嵌入式微处理器为核心的嵌入式系统硬件设计、 嵌入式操作系统a r ml i n u x 的移植、l i n u x 设备驱动程序的编写方法和在l i n u x 环境下多线程应用程序的开发方法。由于所使用的嵌入式操作系统a r ml i n u x 的源代码开放，m o d b u s r t u 通信协议的标准化，使得本汽轮机监测组合仪表 的管理单元的实现具有较高的通用性，可以广泛应用到各类大型旋转机械的监 视保护组合仪表之中。 1 2 2 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 研究目标： 2 武汉理工大学硕士学位论文 在充分了解嵌入式操作系统a r ml i n u x 的前提下，裁减和配置a r ml i n u x 操作系统，使裁减后的功能和大小满足管理单元的功能需求，并将其移植到以 3 2 位a r m 嵌入式微处理器为核心的管理单元硬件平台上，并设计一个符合汽 轮机监测组合仪表管理单元功能需求的系统应用程序。 研究内容： 以a r m 嵌入式微处理器为核心的硬件平台设计； 基于a r ml i n u x 嵌入式操作系统的软件平台的构建； l i n u x 设备驱动程序和应用程序的编写方法； 多任务调度方案的合理设计。 研究的关键问题： 硬件平台的抗干扰设计； 基于a r ml i n u x 嵌入式操作系统的软件平台的构建和应用程序设计。 拟采取的研究方法、技术路线： 汽轮机监测组合仪表的管理单元( 以下简称管理单元) 采用以低功耗的3 2 位a r m 嵌入式微处理器为核心，其他外围芯片和辅助电路为辅的硬件设计首 先熟悉a r m 微处理器体系结构；然后根据功能需求，选用了开放源代码的a r m l i n u x 嵌入式操作系统，将其成功移植到管理单元的硬件平台上；充分考虑产品 所需功能，并基于多信道条件，研究满足功能需求的多任务应用程序设计方法； 经过多方面的系统性能测试，得出具体实验数据；在此基础上提出适合于管理 单元的最佳的多任务调度方案，从理论到实际应用效果上达到系统的功能需求。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章相关技术和领域发展情况介绍 2 1 嵌入式系统简介 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的 简称，它是相对于通用计算机系统而言的。在有些系统里也有计算机，但是计 算机是作为某个专用系统的一个部件而存在的。嵌入式系统无处不在，从家庭 的洗衣机、电冰箱、小汽车，到办公室里的远程会议系统等，都属于可以使用 嵌入式技术进行开发和改造的产品。嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义， 一个手持的m p 3 播放器和一个p c 1 0 4 的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入 式系统。对于嵌入式系统国内一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统是应用于特定环境下，面 对专业领域的应用系统，所以与通用计算机系统的多样化和适用性不同。它与 通用计算机系统相比具有以下特点1 3 】： 软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体； 需要操作系统支持，代码小，执行速度快； 专用紧凑，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高； 多样性，应用广泛，种类繁多。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结 合才会具有生命力，才会更具有优势。嵌入式系统是与应用紧密相结合的，它 具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。嵌入式系统 必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统的功能、可靠性、成本、 体积等要求。 嵌入式系统通常由嵌入式微处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软 件等几大部分组成。嵌入式微处理是嵌入式系统的核心部件，而外围设备是指 在一个嵌入式系统中，除了嵌入式微处理器以外用于完成存储、通信、调试、 显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3 类： 4 武汉理工大学硕士学位论文 存储器：包括静态易失存储器( m w ，s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失存储器( f l a s h 存储器) ； 接口：应用最为广泛的接口包括并口、r s 2 3 2 串口、i r d a 红外接口、 s p i 串行外围设备接口、1 2 c 总线接口、u s b 通用串行总线接1 3 、以太 网接口等； 人机交互设备：包括l c d 、键盘和触摸屏等人机交互设备。 嵌入式微处理器和外围设备共同组成了一个嵌入式系统的硬件部分，硬件 部分的电路主要包括如图2 - 1 所示几个模块。 i 电源模块l 外围电路l i i 时铀由略ilr a 。i i 一il 一i 嵌入式微处理器 l 。lll i 复位电路1 11 洲l - jl i 外围设备 串口 i l l c d il 触摸屏ii 其他 i 图2 - 1 嵌入式系统的硬件组成 同时，嵌入式系统的软件开发也不同于通常的工作站和服务器上的软件开 发环境，一般情况下开发人员进行软件开发的主机平台不同于他所针对的目标 平台( 也就是软件所最终运行的特定嵌入式系统) ，这就需要开发人员在主机平 台上建立交叉编译环境( c r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ) ，如图2 2 所示 5 武汉理工大学硕士学位论文 主机平台 目标平台 操作系统 调试接口 引导加载程序 内核 交叉编译环境 根文件系统 图2 2 嵌入式系统的交叉开发模型 而对于基于嵌入式l i n u x 操作系统的嵌入式系统来说，开发人员需要使用 g c c 来进行开发。g c c 是g n uc o m p i l e rc o l l e c t i o n ( g n u 开发工具集) 的缩写， 它是由自由软件基金会( f r e es o f t w a r ef o u n d a t i o n ) 的g n u 计划所发布的一组 程序设计语言编译器的集合，除了编译开发工具之外g c c 还包括了调试工具和 软件工程工具。此外，g c c 同样的也使用了g p l 公共许可证进行发布，和l i n u x 一样是开放源代码软件。目前g c c 支持多种程序程序设计语言的编译，同时还 能生成多种体系架构的c p u 上运行的二进制代码，因此g c c 也成为了l i n u x 环境下最主要的软件开发工具集。最重要的是，g c c 为广大的嵌入式系统开发 人员提供了开发嵌入式系统软件所必需的交叉编译功能。 2 2 嵌入式系统在工业控制领域中的应用 从用途分类，电子计算机可以分为两大类，即数据处理机和工业控制机。 前者主要用于科学计算、数据处理和信息管理，后者主要应用于设备控制、生 产过程控制和智能化仪表，即工业控制【4 】。 工业控制计算机是以电子计算机为核心的自动测量和控制系统，整个工业 控制系统通常是由传感器、过程输入输出通道、计算机以及执行机构等部分组 成的。由系统对被测控对象的工作状态进行实时数据采集、处理并对其实施控 制，从而完成自动测控任务。例如，用来对工业对象的参数( 如温度、压力流 量、液位) 进行自动调节、自动流水线的控制和操作、生产过程的监控、产品 质量的自动检验和管理等。这类系统的采用，对于提高产品质量与产量、降低 成本、确保生产安全、改善工作条件、减轻体力劳动、节省能源和材料、实现 科学管理等具有重要作用。事实上，现代任何一种工业，如航空航天、能源交 6 武汉理工大学硕士学位论文 通、邮电通信、钢铁冶金、石油化工、煤炭、机械电子等各行各业都在努力实 现测控自动化。 这种以电子计算机为核心的测量和控制系统，是计算机普及应用中最有潜 力、最为活跃的个领域。工业控制机是自动化仪表的重要分支，又是电子计算 机的重要分支。人们通常把从最小的微控制器( 单片机) 到大型的分散型控制 系统( d c s ) ，包括各种数据采集装置、程控装置、数控系统、可编程控制器( p l c ) 、 单回路调节器、标准总线模板系列等列入工业控制机的范畴。 芯片技术、计算技术、软件技术等的发展，使计算机产品突飞猛进。工控 机是计算机家族的重要成员，它的改进、提高、不断完善，也是大势所趋，理 所当然。国内先后研制生产出各式工控机，也采用过多类总线系统。这些产品 在不同时期、针对不同对象都发挥了很好的作用。 工业控制环境通常都很恶劣，要经受机械冲击、振动、摇摆、噪声、电磁 干扰、灰尘、潮湿、高温等影响，受工作条件的限制，对嵌入式产品的体积、 重量功耗都有严格的限制，而且机器一经投入运行，就应一直正常运行下去。 超过机器电气容限的偶然干扰所导致的软件出轨从而造成运行紊乱或死机，应 能及时得到自救，重新进入正常运行的时间应根据生产过程所容忍的失控极限 而定，所以要求系统还应具有较强的实时处理能力、很高的可靠性。 早在二十世纪七八十年代就已经有了嵌入式微处理器应用于工业控制领 域，随着应用对象的扩大、技术的进步和对智能控制需求的不断增长，实际应 用对工业控制系统的功能和性能提出了许多新的要求，例如，适应恶劣的工作 环境，熟悉和友好的用户界而，统一的编程界面，强大的通信和多媒体功能等。 网络时代来临以后，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力，比 如音频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面。因此原有的8 位处 理器已不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。随着微 电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，性能却越来越优越，系统集成度 高，扩展能力强，采用1 6 位、3 2 位嵌入式微处理器已逐渐成为工业控制领域嵌 入式系统设计的主流。 2 3m o d b u s 通信协议简介 m o d b u s 是m o d i c o n 公司于1 9 7 9 年开发的一种通信协议。它是一种在 7 武汉理工大学硕士学位论文 工业领域被广为应用的真正开放、标准化的网络通信协议。通过此通信协议， 控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信l ”。m o d b u s 通信 协议被大部分数据采集与监视控制系统和人机界面软件支持，所以它实际上已 经成为一种通用的工业标准。 控制器能设置为两种传输模式( a s c 或l u ) 中的任何一种在标准的 m o d b u s 网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数( 波特率、数据 校验方式等) ，在配置每个控制器的时候，在一个m o d b u s 网络上的所有设备 都必须选择相同的传输模式和串口参数i 叼【7 l 。 a s c i i 传输模式 当控制器设为在m o d b u s 网络上以a s c i i ( 美国标准信息交换代码) 模式 通信，在消息中的每个字节( 8 位) 都作为两个a s c i i 字符发送。这种方式的主 要优点是字符发送的时间间隔可达到1 秒而不产生错误。使用a s c i i 模式，消 息以冒号( ：) 字符( 其a s c i i 码为3 a h ) 开始，以回车换行符结束( 其a s c i i 码为0 d h ，0 a h ) 。其它域可以使用的传输字符是十六进制的0 9 ，a f 。网 络上的设备不断侦测“：”字符，当有一个冒号被接收到时，每个设备都解码下 个域( 地址域) 来判断是否发给自己的。消息中字符间发送的时间间隔最长不 能超过1 秒，否则接收设备将认为传输错误。 表2 1a s c i i 模式消息帧结构 设备功能 起始位数据l r c 校验结束符 地址 代码 l r cl r c 地址功能 数据1数据n回车换行 高字节低字节 1 个2 个2 个 字符字符字符 n 个字符2 个字符2 个字符 r t l i 传输模式 当控制器设为在m o d b u s 网络上以r t u ( 远程终端单元) 模式通信，在 消息中的每个字节( 8 位) 包含两个4 位的十六进制字符。这种方式的主要优 点是：在同样的波特率下，可比a s c i i 方式传送更多的数据。使用r t u 模式， 消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地 8 武汉理工大学硕士学位论文 址。可以使用的传输字符是十六进制的0 9 ，a f 。网络设备不断侦测网络 总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域( 地址域) 接收到时，每个设备都进 行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3 5 个字 符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息 帧必须作为一连续的流传输。如果在一帧完成之前有超过3 5 个字符的停顿时 间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同 样地，如果一个新消息在小于3 5 个字符时间内接着前个消息开始，接收的设 备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的c r c 域的值 不可能是正确的 表2 2r t u 模式消息帧结构 设备功能 起始位数据c r c 校验结束符 地址代码 数 数据 c r cc r c 地址功能低字 高字 据1n 节节 8 b i t8 b i t t 1 t 2 t 3 - 1 4n 个8 b i t1 6 b i tt 1 t 2 1 3 t 4 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统功能分析与软硬件设计 3 1 系统的功能需求分析 为确保汽轮机各个部分的运行状态处于安全限度内，并在通过对现场的实 际考察，以及与部分汽轮机的使用人员和相关单位进行交流之后，本课题所研 发的管理单元应该具备以下功能： 通信功能 管理单元本身在不间断地跟下面所有在线功能单元通信，以取得不同的测 点的实时数据。另外还可以实现与上位机通信的功能。与功能单元和上位机的 通信均采用r s - 4 8 5 总线，使用m o d b u s r t u 通信协议。用户可以根据所提供 的内部通信协议，发出读、写和辅助三类指令，完成对功能单元的数据采集、 组态等操作。 自动检测在线功能单元 每次启动时，管理单元会自动检测在线功能单元，并将各个功能单元的静 态数据映射到管理单元的内存中。 注册检测到的在线功能单元 系统自动检测到在线功能单元后，可根据用户的需要来注册在线功能单元， 以便于用户对各个功能蕖元进行管理。 柱状图显示 通过主界面菜单可以选择柱状图显示功能，测点名称、测点当前数据、报 警值均可在图上标识出来，柱状图将用不同的颜色将正常运行状态与报警状态 区分开来。 趋势图显示 通过主界面菜单可以选择趋势图显示功能，测点名称、测点当前数据、报 警值均可在图上标识出来，趋势图以数值一时间曲线的方式将当前各测点采集 到的数据连贯地绘制出来。 单测点图显示 通过主界面菜单可以选择单测点功能，即将某一测点的当前数据同时以柱 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 状图和趋势图方式在同一个界面上显示出来。 实时时钟显示 屏幕右上角会显示不断更新的实时时钟，以秒为单位显示，包括年月日、 时分、星期。显示信息的长度可以根据用户需要进行改变，即可以组合显示年 月日、时分、星期。 触摸屏操作 在各种功能下都会有相应功能按键，用户通过按键可以完成所有的管理功 能。 电路和软件的可靠性设计 目前大多数监测保护仪表均有输入电源冗余设计、输入信号与系统电源隔 离、开路和短路保护、内置线性化处理功能、单元自诊断功能设计等。 除了实现上述功能之外，管理单元还应同时满足如下的一些具体技术指标 和要求： 通信操作成功率在9 9 以上； 在线功能单元的自动检测过程在1 5 秒内完成； 数据更新频率小于等于0 5 秒； 触摸屏按键响应速度小于等于0 5 秒； 通过触摸屏或者上位机组态方式对某一功能单元进行写组态操作之后， 在回到运行状态时，将重新对此功能单元进行系统设置，并重新映射所 有与此功能单元相关的寄存器内容，此过程并不影响其它功能单元的正 常数据采集工作； 触摸屏组态操作与上位机组态操作为互斥操作，同一时间内只能进行其 中一种操作。 3 2 系统总体设计方案 3 2 1 总体设计方案 根据对管理单元的功能需求分析，选择将本系统建立在以s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式微处理器为核心的硬件平台之上，移植a r ml i a u x 嵌入式操 作系统和编写设备驱动程序，并以此为基础开发满足管理单元的各项功能需求 武汉理工大学硕士学位论文 和技术指标的应用程序。 整个系统是一个典型的嵌入式l i n u x 系统，而一个嵌入式l i n u x 系统是由多 个组件组成的，其一般架构如图3 - 1 所示【8 j ： i 一i n u 晶厉一一一一一一 ， 二j 互 图3 - 1 嵌入式l i n u x 系统的一般架构 由上图可以看到，一个嵌入式l i n u x 系统所包含的组件是相当复杂的，为了 使得整个系统的软件开发井然有序且便于项目开发团队的协同开发，整个系统 被规定在一个统一的工程目录结构下组织各种软件包和项目组件。项目目录 8 0 0 0 x - p r o j e c t 的安排方式如表3 - 1 所示： 目录内容 b o o t l d r 引导装载程序 d e b u g 调试工具 d o e 项目将会用到的所有文档 n n a g e s准备使用在目标平台上的引导装载程序和内核的二进制映像， 以及根文件系统映像 k e r n e la r ml i n u x 内核源代码 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 r o o t f 目标平台在运行时看到的根文件系统 a p p s 目标平台所需要用到的应用程序 t m p进行实验时或存储临时文件所用的目录 t o o l s跨平台开发工具链以及c 链接库所在目录 当然，以上这些目录下还会包含许多子目录，在本文后面的章节中将会陆续进 行介绍。 3 2 2 系统的结构 整个8 0 0 0 x 汽轮机监视保护系统可以分为三个层次，如图3 - 2 所示。上层 是上位机、中间层是管理单元，下层是各种功能单元( 指连接了各种传感器的 插卡式智能工业仪表，用于监视汽轮机相应部分的运行状态) 。而中间层的管理 单元和若干个下层的功能单元被安放在一个1 9 英寸标准仪表箱内，并连接到同 一个r s - 4 8 5 总线上，构成了汽轮机监测组合仪表。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 i 踟1 0 c l x 汽轮机监视保护系统i 图3 28 0 0 0 x 汽轮机监视保护系统层次结构 其中管理单元的系统结构如图3 - 3 所示，管理单元具有三个串行通信端口 ( u a r t o 、u a r t l 和u a r l 2 ) ，它实现的功能包括：对各功能单元的现场组态 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 和测点数据的图形显示。其中u a r t 0 用于连接管理单元在开发过程中所需的开 发环境；u a r t l 用于与上位机通信，包括接收、应答上位机发出的各种命令等； u a r t 2 用于与各个功能单元通信，获取即时、有效的实时采集数据，提供给管 理单元的l c d 进行显示或者转发上位机发送给功能单元的组态命令。 开发环境 上位机 功能单元 3 2 3 系统任务划分 图3 - 3 管理单元系统结构 根据管理单元的功能需求，对系统应用程序的主要任务划分如下： 触摸屏监听任务 负责监听用户对触摸屏的操作，并作出相应的响应； 上位机通信任务 负责监听来自上位机的组态命令，在接收到命令之后进行一系列的处理， 并最终将来自功能单元对组态命令的应答发回上位机； 功能单元通信任务 负责和各个功能单元的通信，将它们所采集的数据写入管理单元的内存缓 冲区中： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 实时时钟显示任务 功能菜单显示任务 负责显示如图3 - 4 所示的功能菜单界面； 图3 4 功能菜单示布局意图 光柱组显示任务 负责显示按照功能单元类别分组的柱状图，包括测点名称、测点当前数据、 报警值等均可在图上标识出来； 趋势图显示任务 负责显示趋势图，包括测点名称、测点当前数据、报警值等均可在图上标 识出来，以数值一时间曲线的方式将当前各测点采集到的数据连贯地绘制出来； 单测点显示任务 负责将单个测点( 功能单元) 的当前数据同时以柱状图和趋势图两种方式 在同一个界面上显示出来。 3 2 4 系统通信流程 在正常工作状态，功能单元通信任务以主动方式连续循环读取功能单元的 动态数据，更新管理单元中的内存缓冲区；上位机通信任务则处于等待上位机 命令的状态，以被动轮循方式工作。在m o d b u s r t u 通信网络中，当管理单 元收到上位机命令时，立刻触发接收数据中断。这时位机通信任务获得处理器 的使用权，应答上位机。这两个任务在管理单元的系统应用程序中优先级较高， 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 在上位机和各功能单元之间起着“承上启下”的作用。 整个8 0 0 0 x 汽轮机监视保护系统的通信流程如图3 - 5 所示，当上位机发出 组态命令时，上位机通信任务将接收到的组态命令进行相应的处理：如果是写 和辅助命令( 图中以虚线表示) ，则立即转发给功能单元，并等待它的应答数据。 当此任务收到有效应答数据后，就向上位机转发该命令。如果是读命令( 图中 以实线表示) ，则此任务直接从内存缓冲区读中取的相应功能模块的数据并返回 给上位机。 l上位机 | ，? 内存缓冲区 、 管理单元， l l i i i i v i l l功能单元 l 图3 5 系统通信流程图