（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网的可编程rtu的研究.pdf

摘要 摘要 r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 是一种远程测控装置，负责对现场信号、工业设备的 监测和控制。与常用的可编程控制器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 ) 相比，r t u 通常具有优良的通讯能力和更大的存储容量。而p l c 却以其程序可编，容易学习和操 作等优势在工控领域也占有相当大的份额。因此本课题所研究的一种结合了r t u 远程 通信能力和p l c 能够二次编程优势的新型测控终端是具有一定现实意义的。 论文在对比了一些国内外| 一类产品的基础上，提出了一款基于以太网通信的新型可 编程r t u 。该型r t u 不仅可以利用以太网实现远程通信功能，还能使用户利用专用的 编程平台来实现r t u 的二次编程，从而提高r t u 对应用环境的适应性。论文将整个系 统分为四部分：硬件结构部分；上位机r t u 集成开发环境设计与实现部分；r t u 底层程序设计与实现；上位机与下位机的通信。 课题的r t u 编程平台是采用微软的v i s u a lc + + 平台所开发的，这部分也是本课题的 重点、难点。论文在详细介绍了指令表与梯形图两种编程语言的基础上，将编程软件分 为界面设计、数据结构设计、语法检查以及编译等几部分描述。该软件可以编辑梯形图 语言和指令表语言，并且能够实现两种语言之间的转换。 r t u 底层软件在a d s 平台上用c 语言编写，使用了源代码开放的嵌入式实时操作 系统i - t c o s i i ，提高了系统的可靠性和实时性以及代码的可维护性。该程序包括五个任 务：键盘任务、液晶显示及功能选择任务、以太网通信任务、实时时间显示任务、指示 灯任务。任务之间和任务与中断服务程序之间的通信采用了p c o s i i 提供的邮箱和消息 队列。每个任务都是相对独立的，且由操作系统来进行任务调度。 系统的通信部分主要是实现了软件编程平台( 上位机) 和r t u ( 下位机) 之间数据 的传输。采用了两种通信方式串行接口和以太网接口，以便于程序的下载以及数据的监 控。 关键词：r t u ；p l c ；梯形图编程；以太网；嵌入式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) i sar e m o t ec o n t r o lu n i t ，w h i c hc a l lm o n i t o ra n dc o n t r o l s i g n a lo ri n d u s t r i a le q u i p m e n t c o m p a r e dw i t ht h ep 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 ) ， r t u u s u a l l yh a se x c e l l e n tc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t ya n dm a s ss t o r a g ec a p a c i t y t h ep l ch a s ac o n s i d e r a b l es h a r ei nt h ei n d u s t r i a lf i e l df o r m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sp r o g r a m m a b l e ，e a s y t ol e a r na n ds oo n i ti s s i g n i f i c a n tt od e v e l o p ean e wc o n t r o lt e r m i n a lt h a tc o m b i n e s a d v a n t a g e so fr t ua n dp l c c o m p a r i n g d o m e s t i ca n d f o r e i g np r o d u c t s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t s an e w p r o g r a m m a b l er t ub a s e do ne t h e r n e t t l i sr t un o to n l yc a nb eu s e df o re t h e m e t c o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s or e a l i z e st h es e c o n d a r yp r o g r a m m i n g s oi ti m p r o v e st h ea d a p t a b i l i t y o f r t u t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sf o u rp a r t s ：( 1 d h a r d w a r ed e s i g n ；( 喜) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ft h er t ui n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ；( 蔓) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr t u b o u o mp r o g r a m ；( 至) c o m m u n i c a t i o no fp ca n dr t u r t u i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( id e ) w a sd e v e l o p e dw i t hm i c r o s o f t sv i s u a l c + + ，w h i c hw a sa l s om a j o ra n dd i f f i c u l tp a r ti nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do ni n t r o d u c i n g i n s t r u c t i o nl i s t l a n g u a g ea n dl a d d e rd i a g r a ml a n g u a g e ，t h ei n t e r f a c ed e s i g n ，d a t as t r u c t u r e d e s i g n ，s y n t a xc h e c k ，c o m p i l e rd e s i g n t h es o f t w a r ec a nc o m p i l ei n s t r u c t i o nl i s tl a n g u a g ea n d l a d d e rd i a g r a ml a n g u a g e ，a n dt r a n s f o r mt w ol a n g u a g e se a c ho t h e r r t ub o t t o ms o f t w a r ew a sp r o g r a m m e do na d si d e a n dc l a n g u a g ew a ss e l e c t e da s d e v e l o p m e n tl a n g u a g e u s i n g “c o s l ia so p e r a t i n gs y s t e mo fr t u ，c a ni n c r e a s et h ei h u r e l i a b i l i t y ，r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，m a i n t a i n a b i l i t y t h ep r o g r a mi n c l u d e df i v et a s k s ：k e y b o a r d t a s k ，l c dd i s p l a ya n df u n c t i o no p t i o nt a s k ，e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nt a s k ，t i m et a s ka n dl e d i n d i c a t i o nt a s k t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et a s k sa n di n t e r r u p ts e r v i c e su s e dm a i l b o x a n ds e m a p h o r ep r o v i d e db yt h ei t c o s i i e a c ht a s ki s i n d e p e n d e n t ，a n da l lo ft h e ma r e m a n i p u l a t e db yt h e1 t c o s i i t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea c h i e v dd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nr t ui d ea n dt h er t u ， i tu s e dt w om o d e s ，s e r i a 】j n t e r f a c ea n de t h e m e ti n t e r f a c e ，t od o w n l o a dp r o g r a ma n dm o n i t o r r e m o t ed a t a k e y w o r d s ：r t u ；p l c ；l a d d e rd i a g r a mp r o g r a m ；e t h e r n e t ；e m b e d d e ds y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 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谢意。 签名： 趣鱼兰 日 期： 2 - - , 。g j i ， 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 羟 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电子信息技术和网络技术的飞速发展，嵌入式系统的应用范围已经涉及到工业 控制、汽车、医疗、航天等众多领域。由于其针对性强、体积小、易于集成等特点使其 在工业控制领域有非常广泛的应用。本课题所研究的新型r t u 也采用了嵌入式系统进 行实现。 远程终端设备( r e m o t et e r m i n a lu n i t 简称r t u ) 是安装在远程现场的电子设备，用 来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。它主要应用在测控点特别分散的场合， 例如城市供水自动化控制系统、城市煤气管网综合调度系统、电力远程数据集控系统、 水情水文测报系统等。而另一种测控设备一一可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r 简称p l c ) 由于其具有可编程、易于使用和维护等特点使其在传统的工业生产 过程中大量应用( 例如电厂、钢铁厂、化工厂) 。所以本课题结合r t u 与p l c 两者的优 点，研发出一种新型的可编程r t u ，即具有传统r t u 的远程通信能力又具有p l c 的可编 程能力。可以想象这种新型的r t u 将会有更为广阔的应用范围。 传统的r t u 大多是由8 位单片机控制，其控制过程简单，应用面窄，已经很难满 足现代控制系统需要。故本课题采用基于3 2 位a r m 内核的微控制器，i 司时设计一套上 位机编程与监控系统，使r t u 具有类似p l c 的编程功能。令使用者可进行二次开发， 增强了设备的适应能力。其通信方式除了普通的串口外再加上以太网( e t h e m e t ) 接口， 使其便于和因特网( i n t e m e t ) 连接实现远程通信功能。 1 2 课题背景及意义 在8 0 年代初期，一些厂家利用自身在数据采集、转换及通讯方面的优势，就已经推 出远程测控终端r t u ，并采用r t u 构成计算机s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，像英国施伦伯杰( s c h e l u m b e r g e r ) 公司上世纪8 0 年代初期开发的i m p 远程测控终端及由它构成的s c a d a 系统就是r t u 早期成功应用的一个例子1 2 例。 远程测控终端r t u 作为体现“测控分散、管理集中”思路的产品从上世纪8 0 年代起 介绍到中国并迅速得到广泛的应用。它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信 号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定【2 0 1 。 现在国内外比较有名的产品主要有：解放军南京工程兵学院微机测控研究所的 8 9 3 i d c b 远程测控终端、北京安控科技发展有限公司f l q s u p e r e 远程测控终端、北京华迅 江南大学硕士论文 通信电子技术公司e n e t 无线r t u 、美国m o t o r o l a 公司的m o s c a d 远程终端设备、 美国o p t o2 2 公司o p t o m u x 及s n a p 等远程测控终端、澳大利亚埃波罗( e l p r o ) 公 司的e p l 0 5 一体化r t u 、澳大利亚悉雅特公司m o xr t u 等掣2 0 】。 然而以上r t u 产品很多都不能够进行二次编程，所以其灵活性受到了很大限制。 另外国内一些可编程r t u 其编程系统也大多是采用国外厂商的商业编程系统，并没有 自主知识产权。 1 2 2p l c 世界上公认的第一台p l c 是1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制的。限于当时的 元器件条件及计算机发展水平，早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组成， 可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。2 0 世纪7 0 年代初出现了微处理器，人们很 快将其引入可编程控制器，使p l c 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具 有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用， 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处 理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的p l c 为微机技术和继电器常规控制概念相 结合的产物瞵j 。 2 0 世纪7 0 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入 可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业 抗干扰设计、模拟量运算、p i d 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位1 8 j 。 2 0 世纪8 0 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编 程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点 是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已 步入成熟阶段i s 。 2 0 世纪末期至今，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制 规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样 的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套 能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备 的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工 业等领域的应用都得到了长足的发展悼j 。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。由于起步 较晚，现在我国的p l c 市场主要被几家国外大公司所垄断。例如德国西门子、日本欧姆 龙、三菱等。国内生产p l c 的厂家主要有浙大中控、北京易控、无锡信捷等。但从产品 结构上看，国内p l c 大多属于中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品， 在国内市场也只占有很小的份额。 2 第一章绪论 1 2 3 以太网 以太网技术最早是由施乐( x e r o x ) 公司提出，并由施乐、i n t e r 和d e c 公司联合扩 展，在1 9 8 2 年公布了基于以太网规范的i e e e 8 0 2 3 。以太网使用c s m a c d ( 载波监听 多路访问及冲突检测技术) 技术，并以1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 甚至更高的速率运行在多种类 型的电缆上。目前以太网已经在局域网和i n t e m e t 上取得了巨大的成功，据v d c ( v e n t u r e d e v e l o p m e n tc r o p ) 调查报告，如今已有约9 5 的网络节点具有e t h e m e t 接口【7 1 。 近年来，以太网技术取得迅猛发展主要得益于以下优势：( 1 ) 开放标准，应用广泛。 获得众多厂商的支持；( 2 ) 成本低廉，结构简单，管理方便；( 3 ) 通信速率高，软硬件资 源丰富；( 4 ) 持续技术改进，满足用户不断增长的需求；( 5 ) 网络可平滑升级，可持续发 展潜力大1 7 1 。 正是由于以太网具有开放性好、应用广泛及价格低廉等特点，不但基本垄断了商业 领域的网络市场，而且在工业控制领域也得到了大规模的应用。因此选用以太网作为远 程通信网络可以避免现场总线技术游离于计算机网络之外，从而能够方便的实现现场总 线技术与商业互联网技术相互促进，共同发展，在升级方面无需单方面投入。这些优势 是其它现场总线无法比拟的。 1 3 论文的主要工作及贡献 根据前文所述，r t u 与p l c 皆属终端设备。r t u 偏重于信息的传送，其有较强的通 信能力能够很方便的组成s c a d a 网络，但是其专用性太强。i 汀u 一般只能在一个行业、 甚至是在一个单位的某一个工程项目中使用。而p l c 属于存储程序控制，其控制功能是 通过存放在存储器内的程序来实现，若要对控制功能进行修改，只需要改变用户软件即 可，所以有很强的适应性、通用性。但是由于其支持的通信方式很有限，往往只有固定 的一到两种，并且传输距离较短。 我国自8 0 年代初引进p l c 产品近年来有较大的发展，通过技术引进、消化吸收、仿 制和国产化，使我国小型p l c 的有些品种己批量生产，中型p l c 已有产品，大型p l c 己 开始研制。但是到目前为止，国内形成产业化生产可编程设备的企业约3 0 多家，产量超 过1 0 0 0 台的不到1 0 家，而且目前国内用户选用可编程设备仍以国外产品为主。国内产品 的市场占有率不超过1 0 ，可编程设备的核心技术一直把握在欧、美、日等工业发达国 家手里。但中国市场对这类的需求却以年递增率1 2 的速度增长【l 】。虽然最近几年国内 出现了一些具有完全自主知识产权的p l c 企业，但由于起步晚，没有经过大量的应用实 践，其产品往往有这样或那样的不足，而不能被用户青睐。另外国内企业对自己的p l c 技术极度保密，这样不能使国内形成一种百家争鸣，百花齐放的p l c 开发环境。这些情 况导致国内工控领域几乎被国外几大企业垄断，因此本论文可以为致力于开发具有自主 知识产权的可编程测控终端的公司或个人提供一些借鉴和参考。 江南大学硕士论文 在这样的国际、国内背景下针对传统r t u 和p l c 的种种不足，结合两者优势，利用 当前较为成熟的以太网通信技术，设计一款具有较高灵活性和适应性的新型的可编程 r t u 设备，无论对于国内工控水平的发展还是科学研究都具有积极的意义。 本课题的目标是设计一款基于嵌入式系统的具有以太网监控功能的可编程r t u 系 统。在课题研究过程中所做的工作主要有以下几点： 1 、r 1 r u 指令集的设计 参考i e c 6 11 3 1 3 标准，设计一套简单、通用符合国际规范的指令符号、代码。这些 代码构成梯形图编程平台的各个元素、语句。 2 、梯形图集成开发环境的设计 在可编程r t u 系统中，为用户提供一个良好的软件开发调试环境是需考虑的重点。 其最主要的目的是为r t u 系统用户提供一个直观、方便、高效的用户程序开发平台。本 平台采用v c + + 的多线程、多文档、多视图等技术，建立了一个面向应用系统的集成各 种功能的用户程序设计环境，其编程语言参考了i e c 6 1 1 3 1 3 标准，并选择其中最常用的 l d ( 梯形图语言) 、i l ( 指令表语言) 同时作为用户程序开发语言。该平台的主要任务是完 成对l d ，i l 两种语言的编辑、编译、调试和下载程序到硬件运行、数据的监控等。 3 、r t u 解释程序的实现 r t u 梯形图程序在上位机编程平台中编写并转换为二进制代码后，通过串口下载到 硬件系统的指令存储区。r t u 指令解释程序包含有指令分析子程序和指令解释子程序。 当指令解释程序运行，逐一扫描控制程序的指令，指令分析子程序获得指令的操作码和 操作数，指令解释程序根据操作码类型调用相应的解释子程序，并把操作数作为子程序 参数。解释子程序根据指令操作数计算其对应元件变量的存储地址，获得相应变量值， 完成一条指令的规定动作。然后再分析下一条指令，如此周而复始，令r t u 按照用户程 序运行。 4 上位机与下位机之间的通信 可编程r t u 系统的设计和实现包括上位机编程系统和下位机r t u 运行系统。编程系 统基于p c 平台，而r t u 运行系统则运行在嵌入式硬件平台上面，所以两个系统的通信接 口显得非常重要。本文分别实现了串口以及以太嗍两种通信方式。串口通信主要是为了 完成梯形图程序向r t u 的下载。以太网通信主要是负责r t u 运行过程中用户程序的更新 和输入输出数据的传输，便于上位机监控。 1 4 论文的组织结构 论文共分七章，其组织结构如下： 第一章绪论：概括叙述了本课题的研究背景、研究内容和目标。 4 第一章绪论 第二章系统的原理与结构：叙述了本课题所研究对象的工作原理、工作特性，还 简要介绍了其硬件基础和主要功能。最后对r t u 软硬件的整体结构做了详细分析，为后 面章节做了框架上的铺垫。 第三章图形语言开发环境的设计与实现：首先介绍了梯形图和指令表两种编程语 言的特点与编程规则，而后着重阐述了图形语言集成开发环境的设计，给出了从界面到 功能的实现思想、方法和实现结果，完成了软件设计开发的核心步序。并给出了部分程 序的流程图以及核心代码等。 第四章嵌入式操作系统的选择和应用：详细阐述了r t u 所使用的操作系统的选 择、特性等，也介绍了课题所采用的广州致远公司工控板内所固化的各种函数。为实现 r t u 的可编程构造了系统软件的基础。 第五章r t u 底层软件设计：简述了嵌入式系统的开发方法，任务的分配和优先级 的设定。还分析了键盘任务、时间显示和指示灯任务的实现方法。着重阐明了r t u 解 释程序的原理，也详细分析了解释程序的编程方法。 第六章通信功能的实现：本课题的通讯模块采用了串行接口和以太网两种方法实 现。本章对这两种通信方式分别从上位机和下位机两个方面做了阐述。系统可以利用两 种方式完成程序的下载、数据的监控等功能。 第七章总结与展望：对整个系统进行了总结，指出了系统存在的问题，并展望了 系统今后的几个研究方向。 1 5 本章小结 本章介绍了课题开发的背景、意义及课题所要实现的具体目标，并对课题所涉及到 的各方面技术优劣进行分析比较，为课题的立论做了详细的说明，也具体介绍了作者所 做的工作。并对设计时所用到的软硬件平台和工具进行了选择。最后概括了整个论文的 结构安排。 江南大学硕士论文 第二章系统的原理与结构 从某种意义上来说，测控设备的智能化水平对控制网络的体系结构有很大影响。同 时，测控设备智能化水平的高低，又与嵌入式技术以及集成电路技术密切相关。以往嵌 入在现场设备中的8 位和1 6 位微处理器芯片，由于存储空间小和运算速度低，从而影 响了测控设备的智能化程度和网络性能。 随着微电子、集成电路和嵌入式技术的快速发展，3 2 位或更高速度的微处理器芯片 己经问世。这些高速微处理器提供了更大的存储空间和更高的运算速度，可以很好地处 理t c p i p 等复杂协议，可以在单片机系统上实现以太网技术。将以太网接口直接嵌入 到现场设备中，在现场设备中通过引入t c p i p 协议，将使以太网通讯直达现场设备层， 使嵌入式设备更加智能化并具有更好的网络性制h j 。 通过在设备中内嵌w e b 服务器，就可使相关人员( 如监控人员) 利用现有的网络通讯 平台，通过某些软件就可以对工业现场的设备进行实时的监测和控制。授权用户还可以 远程对这台设备进行配置、监视、控制、诊断和测试等。通常每个嵌入式设备拥有一个 嵌入式操作系统，并且还有一个嵌入式t c p i p 协议栈。只要向其中添加一些代码就可 以方便的转变为一个嵌入式w e b 服务器。 作为智能控制节点，首先要保证通信任务实时可靠的执行。结合工业以太网智能节 点的特征，论文提出了基于a r m 处理器与嵌入式实时操作系统( r t o s ) 的可编程r t u 。3 2 位嵌入式微处理器a r m 的引入，保证了在连接请求较多或控制任务较复杂的情况下，系 统仍然能够保证良好的实时性。 2 1l p c 2 2 20 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h in e s ) 微处理器基于r i s c ( 精简指令集计算机) 技术，与 c i s c ( 复杂指令集计算机) 技术相比其指令集及相应的代码解释机制都得到了简化。a r m 的r i s c 体系结构具有性能高、成本低、体积小和能耗小等特点，适用于多种领域。 a r m 处理器的三大特点： 1 、体积小、功耗低、性能高、成本低。 2 、1 6 3 2 位双指令集。 3 、全球众多的合作伙伴。 a r m 处理器目前包括以下几个系列的处理器产品：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l o e 系列， s e c u r e c o r e 系列以及i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 等。在所有a r m 处理器系列中，a r m 7 处理器系列应用最广。a r m 7 系列内核包括a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ，a r m 7 e j s 和a r m 7 2 0 t 共四款，a r m 7 t d m i 是业界应用最广泛的3 2 位r t s c 嵌入式微处理器内核，允许系统设计 者构造小体积、低功耗和高性能的嵌入式设备。l p c 2 2 2 0 是p h i l i p s 公司的基于支持实 时仂真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m isc p u 的微处理器。片内1 2 8 位宽度的存储器接口 6 第二章系统的原理与结构 和独特的加速机构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。l p c 2 2 2 0 采用1 4 4 引脚l q f p 封装i 引。 l p c 2 2 2 0 的特性： 1 2 8 位宽度接口加速器实现高达6 0 m h z 的操作频率； 外部8 ，1 6 ，3 2 位总线； 通过外部存储器接口可将存储器配置为4 组，每组的容量高达1 6 m 字节； 串行b o o t 装载程序通过u a r t o 将应用程序装入器件的r a m 中并使其在r a m 中执 行； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时 钟和看门狗； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和 2 个s p i 接口； 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚； a r m 处理器由于使用了流水线技术，处理器和存储系统的所有部分都可连续工作。 通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 其特点是运算速度快，能满足较高的速度要求。 a r m 处理器是嵌入式智能设备的运算控制部件，是整个嵌入式系统的实时控制核心， 它不但要处理以太网的通信，把标准网络技术扩展到嵌入式设备中而且还需要处理其它 很多的控制任务。由于工业现场的控制任务比较复杂，嵌入式a r m 处理器所承担的任务 也比较繁重。 本系统中它主要处理的任务如下： 1 、系统上电后，对r t u 各个外围接口进行初始化，并自动监测各部分硬件工作是 否正常，初始化和自检完成后进行嵌入式操作系统的运行。 2 、运行过程中，不断读取和刷新来自现场的实时数据信息( 采样数据) ，并把接收 到的不同的采样数据进行不同的处理。 3 、通过以太网接口将接收来的数据信息传送给主机进行监控。 4 、根据系统所下载的用户程序，发出相应的i 0 输出信号来控制设备的工作。 l p c 2 2 2 0 的内部结构框图如图2 一l 所示： 7 江南大学硕十论文 2 2m 2 0 0 5 - n u l l 核心板 图2 - 1l p c 2 2 2 0 结构框图 f i g 2 1l p c 2 2 2 0b l o c kd i a g r a m 众所周知，嵌入式系统是一个相当复杂的系统。由于底层软硬件开发关系到整个系 统的稳定性，必须投入大量的资金、人员和时间才有可能保证系统的可靠性。如果单靠 一个人的力量从设计硬件电路开始到最后编写系统底层软件，一步一步地构建整个嵌入 式系统，那么将很难保证系统的可靠性及实用性。因此课题选用了广州致远电子有限公 司生产的m 2 0 0 5 n u l1 核心板。该电路基于l p c 2 2 2 0 工业级微控制器、支持1 0 m 以太 网、u 盘、c f 卡、p 4 d 转换、r t c 等功能。该产品提供总线保护设计，使核心板在e m c 8 第二章系统的原理与结构 性能及稳定性方面具有良好的表现。产品提供l p c 2 2 2 0 标准化驱动，并固化嵌入式以 太网协议栈，调用a p i 函数即可实现嵌入式设备的网络和海量存储等功能。 该核心板采用6 层p c b 板，主要具有以下特点： 内嵌g c o s i i 正版实时操作系统； 内置t c p i p 协议、f a t 3 2 文件管理系统； 内置1 0 m 以太网控制器； 内置u s b 2 0 全速u s bh o s t 控制器； 支持u 盘、c f 卡读写操作； 2 m 程序存储器； 5 1 2 k b 外置内存； 1 个可校准的低功耗外置实时时钟； 2 i 珞u a r t 、1 路1 2 c 、s p i 通信接口； 4 路1 0 位a d 转换器； 2 0 个g p i o ，可承受5 v 电压输入； 支持2 4 位地址和1 6 位数据总线扩展； 该核心板结构如图2 2 所示 图2 - 2 m u 2 0 0 5 一n 0 11 结构框图 f i g 2 - 2m u 2 0 0 5 一n u l1b 1 0 c kd i a g r a m 9 1 2 c s p l u a i 订 e n q t l 2 c a p m 、t a 州0 3 g p l o p o 江南大学硕士论文 2 3 可编程r t u 硬件结构 由于已经采用了成熟的核心板，所以其余硬件电路的设计已经相对简单。本课题硬 件电路就直接采用实验室现有的基于该核心板设计完成的测控底板。图2 3 为该电路原 理框图。 兰：! 竺竺 i o 接u 电路 f l a s h 存储器 m i n i a r m ( l p c 2 2 2 0 ) r $ 2 3 2 l c d 液晶显示 j t a g 调试接口 网络接口电路 图2 - 3r t u 硬件结构框图 f i g 2 3r t uh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 2 4 可编程r t u 工作原理 编 程 主 机 以 太 网 根据前文所述本课题所设计的可编程r t u 其特点是既具有p l c 的可编程能力又具 有r t u 的远程通信能力，因此其工作原理和p l c 的工作原理相类似，然而在p l c 诞生 以前，工业控制中采用的是继电器控制系统。虽然p l c 是从继电器控制电路发展而来 的，但是它们的工作原理却不相同。继电器控制电路是一种并行工作方式，也就是说， 当继电器控制电路中某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的继电器线圈才会同时 通电。而p l c 则是采用巡回扫描工作方式，即在p l c 执行程序时，c p u 对梯形图自上 而下、自左而右地逐次进行扫描，程序的执行是按语句排列的先后顺序进行的。因此， p l c 控制与继电器控制的最主要区别就是p l c 的梯形图中各线圈状态的变化在时间上 是串行的，不会出现多个线圈同时改变状态的情况。p l c 是以软件高速执行的串行来代 替继电器的硬逻辑并行。控制程序在1 秒钟之内被执行几十次甚至上百次。虽然从微观 讲，p l c 是以串行方式工作的，但是从宏观上看，p l c 的高速循环执行和继电器的并行 工作方式类似8 1 。 另外p l c 和工业计算机的工作方式也有很大区别。微机一般采用等待命令的工作 方式。如常见的键盘扫描方式或i o 扫描方式，有键按下或i o 动作则转入相应的子程 序，无键按下则继续扫描。p l c 采用循环扫描方式，用户程序按先后顺序存放，c p u 从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。 这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处 理，而后顺序向输出点发出相应的控制信号。 l o 第二章系统的原理与结构 本课题所设计的可编程r t l i 其工作原理与p l c 大致类似，但是具有以太网通信功 能。其整个工作过程同样分为五个阶段：内部处理，外部通信，输入采样，用户程序执 行，输出结果。其工作过程如图2 _ 4 所示。 内部处理与外部设 备通信 读入现场 信号 垫至用户l 一输出结果 程序ll 图2 - 4r t u 工作过程 f i g 2 - 4r t uw o r k i n gp r o c e s s 每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序，该过程称为内部处理阶段。其 诊断内容为i o 部分、存储器、c p u 等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续 向下扫描。 在通信处理阶段，r t u 与具有以太网功能的外部设备通信。将自身监测数据发送到 外部设备，并能接收外部设备的指令。 在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的o n o f f 状态，将此状态存入 输入映象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化， 输入映象寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读 入。 在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行用户程序指令，从输入 映象寄存器和其它元件映象寄存器中读出有关元件的o n o f f 状态。根据用户程序进行 逻辑运算，运算结果再存入有关的元件映象寄存器中，即对每个元件而言，元件映象寄 存器中所寄存的内容会随程序的进程而变化。 输出处理阶段，在所有指令执行完毕后，将输出映象寄存器的o n o f f 状态，在输 出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子向外输出 控制信号，这才是r t u 的实际输出。 r t u 周期性地循环执行上述步骤，称为扫描周期。它不仅包括运行用户程序所需的 时间，而且还包括运行系统程序，如i o 处理、自检测所需的时间。所以，它不仅与用 户程序有关，还与系统结构、i o 模块的个数、外围设备情况有关。它反映r t u 对输入 信号的灵敏度或滞后程度。扫描周期的大小对系统性能有一定影响，例如对i o 响应时 间，定时器精度等都有影响。要使巡回扫描的时间短，决定于两个因素，一是每条指令 的执行时间，另一个是程序的长短。前一个由机器本身的主频决定，第二个主要与编程 人员的水平有关。 江南大学硕士论文 2 5 可编程r t u 软硬件整体结构 在前面所介绍的硬件电路和r t u 工作原理的基础上，再加上后文的软件程序( 第 三，四，五章详述) 就完成了一个可编程r t u 的完整设计。本系统的软硬件各个部分 的组成与结构如图2 5 所示 r 。_ - _ _ 。1 1 l 用户编写的程序 i 上层软件 ii 上层扒什 系统解释程序 内存管理程序 中断管理程序 i o 扫描程序 接口驱动程序 底 层 软 件 软 件 部 分 j 至堕口 圈匝互囵匝互囹硬件部分 2 6 本章小结 图2 - 5r t i j 整体结构框图 本章详细阐述了课题所采用的中央处理器l p c 2 2 2 0 的结构及特点，并介绍了广州 致远公司的核心板m u 2 0 0 5 - n u l l 所具有的功能、特点。还分析了r t u 硬件电路的系统 构成和各个组成部分的作用。最后详细分析了可编程r 1 的工作原理及过程并给出了 系统的软硬件整体框图。 第三章图形语言开发环境的设计与实现 第三章图形语言开发环境的设计与实现 i e c 6 1 1 3 1 3 是可编程控制器的编程语言标准，是现代软件机制和软件工程理论与传 统可编程控制器编程语言的成功结合。它在工业控制领域的影响超出p l c 的界限，成 为d c s 、r t u 、运动控制，以及s c a d a 的编程系统事实上的标准。 1 9 9 3 年国际电工委员会( i e c ) 正式颁布了可编程控制器的国际标准i e c l l 3 1 ( 以后改 称i e c6 11 3 1 ) ，其中的第三部分关于编程语言的标准，规范了可编程控制器的编程语言 及其基本元素。该标准规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前 者包括指令表语言( i l ，i n s t r u c t i o nl i s t ) 署l 结构化文本语言( s t ，s t r u c t u r et e x t ) ，后者包 括梯形图语言( l d ，l a d d e rd i a g r a m ) 和功能块图语言( f b d ，f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) 。 至于顺序功能图( s f c ) ，标准不把它单独列入编程语言的一种，而是将它在公用元素中 予以规范1 6 j 。本课题的图形语言开发环境参考了i e c 6 11 3 1 3 标准，实现了国内最常用的 两种语言梯形图与指令表语言。用户可选择任一语言进行编程。 v i s u a lc + + 是微软公司开发的一个i d e ( 集成开发环境) ，功能强大尤其是面向对象技 术，充分利用c h 语言的封装、继承、多态、重载和虚函数等特性，使代码和数据分离。 程序可移植性好、可扩充性好、易于维护。 课题选用v i s u a lc + + 6 0 作为图形语言开发环境的开发工具。本章节主要详细介绍 利用v c + + 进行图形语言集成开发环境设计的分析、设计、开发和调试过程以及所用到 的一些关键技术等。 3 1 编程语言 本系统采用了指令表与梯形图两种语言来进行用户程序编辑，下面将详细介绍这两 种语言的特点以及编程规则。 3 1 1 指令表语言 指令表语言又称为语句表或布尔助记符，该语言用一系列指令组成用户程序。它是 一种类似汇编语言的低级语言，属于传统的编程语言，用布尔助记符表示的指令来描述 程序。通常，一条指令由一个操作符或一个功能符，与一定数量的操作数组合来实现一 定的功能。 指令表编程语言具有以下特点： 1 、用布尔助记符表示操作功能，容易记忆，便于掌握； 2 、有时能够解决利用梯形图等其它语言不容易解决的问题； 3 、在编程器的键盘上直接采用助记符表示，便于操作； 4 、与梯形图语言一一对应； ； 江南大学硕士论文 5 、在复杂控制系统中用该语言编程描述不够清晰； 指令表编程语言是一种通用的编程语言，几乎所有p l c 都支持，并且其它的编程 语言都可以转换为指令表形式。尽管各个不同厂家p l c 的指令表均有一些共同的特点， 但它们并不完全一致。比如欧姆龙公司的装入指令为l d ，是l o a d 的缩写，而松下公 司采用s t ，是s t a r t 的缩写。本课题将所用到的指令表助记符如下表示： 装入指令( l d l d i ) ；逻辑指令( o r o p o 和a n d a n i ) ；块操作指令( o r b a n b ) ； 输出指令( o u t ) ；结束指令( e n d ) 等。 3 1 2 梯形图语言 由于梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一