（电路与系统专业论文）基于S3C2410的软PLC系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 传统p l c 在自动控制领域中一直占据着垄断地位，但近几年随着计算机技术的快 速发展和i e c 6 1 1 3 1 3 标准的出现，软p l c 技术得到了突飞猛进的发展。近年来，随着 嵌入式系统在工业控制中的广泛应用，嵌入式系统和软p l c 相结合成为工业控制领域 发展的必然趋势，软p l c 可以作为一个嵌入式应用程序在嵌入式系统中运行。 本文前半部分在介绍了软p l c 和嵌入式系统后，阐述了嵌入式软p l c 硬件系统的 设计思想，并根据具体需求设计了嵌入式软p l c 的硬件系统，然后定制w i n d o w sc e 嵌入式操作系统。后半部分主要阐述了嵌入式软p l c 开发系统和运行系统的实现过程， 开发系统中主要论述了梯形图编辑器的实现；运行系统是模拟传统p l c 巡回扫描工作 方式设计的，在程序执行的每个周期内按照输入采样、程序的解释执行、输出刷新三 个阶段执行程序。本文详细地论述了嵌入式软p l c 的软、硬件系统及其具体实现过程， 对于嵌入式软p l c 在工业控制中的应用研究具有一定的参考价值。 关键词：嵌入式软p l cw i n d o w sc ei e c 6 1 1 3 1 3 开发系统运行系统 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lp l ch a sm o n o p o l i z e dm u c ht o t h ep r o g r e s so fm a ni l lt h ed o m a mo f a u t o m a t i cc o n t r 0 1 b u tr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u ea l l d t n e a p p e a r a n c eo fi e c 6 1131 3c r i t e r i o n ，s o f t p l cd e v e l o p e db yl e a p sa n d b o u n d s r e c e n ty e a r s ， e m b e d d e ds v s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r yc o n t r 0 1 s oi t s at r e n dt o c o m b i n et h ee m b e d d e ds y s t e ma n ds o f l p l c ，s o f t p l cc a n w o r ki na ne m b e d d e ds y s t e ma s a ne m b e d d e da p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g t h ef i r s th a l fo ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es o f t p l ca n de m b e d d e ds y s t e m s ，e x p o u n d s t h eh a r d w a r es y s t e m sd e s i g ni d e ao fs o f l p l c ，a n dd e s i g n st h es o f l p l c h a r d w a r es y s t e mm a c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i cn e e d s ，a n dt h e nt oc u s t o m i z ew i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m t h el a t t e r o ft h ep a p e rm a i n l ye x p o u n d st h ei m p l e m e n tp r o c e s so fe m b e d d e d s o f l p l c ，sd e v e l o p m e n ta n dr u n n i n gs y s t e m ，t h er e a l i z a t i o no fl a d d e rd i a g r a me d i t o r i s m a i n l yd i s c u s s e di n t h ed e v e l o p m e n ts y s t e m ，t h es o f t p l cr u n n i n gs y s t e mi sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e “c y c l es c a n ”w o r km o d e lo fp l c i ne v e r yw o r k i n gc y c l e ，s o f t p l cg o e s t h r o u g ht h r e es t e p st or u np r o g r a m ，w h i c hi n c l u d ei n p u ts a m p l i n g ，i n t e r p r e t i n ga n d e x e c u t i n g u s e r sd r o g r a ma n do u t p u tr e f r e s h i n g t h i sp a p e rp r o v i d e sa f u l ld e s c r i p t i o no fs y s t e ma n d d e t a i l e dr e a l i z a t i o no fe m b e d d e ds o f t p l c ， o ft h es a l t l ef i e l d a n di tc a nb ev e r yg o o dr e f e r e n c ei nt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：e m b e d d e ds o f t p l c w i n d o w sc ei e c 6 1 1 3 1 - 3d e v e l o p m e n ts y s t e m r u n n i n gs y s t e m i i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于$ 3 c 2 4 1 0 的软p l c 系统的研究与 设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 长春理工大学学位论文版权使用授权书 年上月嘶 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 指导导师签 年月蛎 孑月以日 1 1 课题背景 第一章绪论 传统的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 ) 经过几十年的发展，己经成为一项成熟 技术，它以高性能、高速度、高可靠性在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，人 们慢慢发现，传统p l c 存在着很多弊端，首先，由于生产p l c 的厂家很多，其软、硬 件构架是封闭不开放的，很多p l c 都是采用专用总线、专用通信协议，虽然大多是采 用梯形图编程语言，但由于各个厂家的组态、寻址方式、语言结构都不统一，使各种 各样的p l c 产品互相不兼容，并且使用者要培训一段时间才能熟练某一种特定产品的 编程方法，性价比较低。其次，传统p l c 梯形图编程语言不支持数据结构以及有限的 程序封装能力。再者，由于目前的控制过程越来越复杂、控制要求越来越高，控制方 式更加趋于分散化和个性化，传统p l c 在这些方面显得力不从心，从而制约了传统p l c 的进一步发展。 为了克服这些问题，国际电工协会( i e c ) 颁布了i e c 6 1 1 3 1 3 可编程序控制器的编 程软件标准，为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路。根据这个标准和各种相关的 国际工业标准，充分利用现代计算机的软、硬件资源以及成熟的网络通讯和现场总线 技术，开发以软件技术来实现传统p l c 的控制功能的新一代开放体系结构，即软p l c 技术阳。 所谓软p l c 技术，就是使用p c 作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件p l c 的基本功能。即将p l c 的控制功能封装在软件内，运行于p c 的环境中。这样以p c 为 基础的控制系统简称p c 控制，它提供了p l c 的功能，还具备了p c 的各种优点。 当时人们普遍认为软p l c 产品会很快地取代传统的p l c 产品成为工控领域的主 导，可是软p l c 技术的发展并不顺利，其发展受到了以下因素的制约：以p c 为基础 的控制引擎的硬实时性能不足；软p l c 产品的供应商对标准编程语言缺乏认识：p c 硬件对工业现场环境的适应性差等等。2 0 世纪9 0 年代后期软p l c 技术发展进入了暂 时的低潮期f ”。 本世纪初，随着计算机和微电子技术的进一步发展以及相关软件的逐渐成熟，嵌 入式系统得到了迅猛的发展。这给本已陷入了困境的软p l c 技术带来了曙光。人们丌 始把软p l c 技术和嵌入式系统结合起来，这样就产生了嵌入式软p l c 技术。嵌入式软 p l c 产品克服了基于p c 平台的p l c 产品的弊端，同时大大降低了成本，并且嵌入式 软p l c 控制系统集成了现代许多先进的技术，它把p l c 功能、p i d 调节功能、h m i 功能、点位运动控制功能、测量功能、现场总线通讯功能和编程技术有机地集成在了 一起。基于嵌入式系统并符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 系统是嵌入式系统与p l c 在 现代工业控制中结合发展的必然产物，在自动控制领域中，用嵌入式软p l c 代替传统 p l c 已经成为一个发展趋势。然而目前国内外的嵌入式软p l c 正处于起步阶段，成熟 的产品不多，离用户的实际需求还有一定的距离，因此研究嵌入式软p l c 具有十分重 要的现实意义。 1 2 嵌入式软p l c 系统研究现状 1 2 1 国内外发展状况及趋势 1 9 9 2 年，由p l c 用户与制造商联合组成“p l co p e n ”组织，总部设在荷兰，在 美国、日本有分支机构，其宗旨是组织和推动i e c l l 3 1 3 标准的贯彻并向用户提供咨 询服务，使用户既可以选择熟悉的编程语言，也可选择合适的i o 硬件组成控制系统。 在i e c l l 3 l 一3 编程标准问世以及影响下形成了开放式结构，使得传统p c 有可能代替传 统p l c ，成为新型p l c ，即软p l c 。软p l c 产品具有传统p l c 在功能、可靠性、速 度等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业p c 转换成全功能的p l c 过程控制。 软p l c 综合了计算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信 网等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期 和可连接各种i o 系统及网络的开放式结构。可以说，软p l c 提供了与传统p l c 同样 的功能，而同时具备了p c 环境的各种优点。这样用户可以自由选择p l c 的硬件；获 得p c 领域技术价格的优势，而不受某个传统p l c 制造商本身专有技术限制；用户可 以很方便地与强有力的p c 网络相连；用户可以用自己熟悉的编程语言编制程序1 4 1 。 软p l c 采用开放式结构的软件控制技术，将一台标准的工业控制计算机改变为一 个具有p l c 全部功能的过程控制器。随着微处理技术以及软件技术的迅速发展，软p l c 也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完善t 5 1 。 下面是一些典型的应用产品“1 ： ( 1 ) s o f t p l c 公司的s o f l p l c s o f l p l c 是基于p c 的开放式控制软件，具有开放的控制平台，用户能够根据自己 的需求来选择硬件。它是一个独立于w i n d o w s 的操作系统，从d o s 将s o f t p l c 装入内 存后，s o f t p l c 即可控制c p u 。 ( 2 ) s i m e n s 公司的s i m a t i cw i n a c s i m a t i cw i n a c 是基于w i n d o w s 平台的控制软件，具有可视化人机界面，它将 控制、数据处理、通信等技术集于一体。w i n a c 采用了v e n t u r c o m 公司提供的实时操 作系统作为w i n d o w sn t 的扩展，具有“硬实时”的特性。此外，它还具有在线调试 功能。 ( 3 ) c ji n t e m a t i o n a l 公司的i s a g r a f i s a g r a f 能够在w i n d o w s 、d o s 、w i n c e 、m s d o s 、o s 9 、q n x v 4 5 d 、 l i n u x v 2 2 1 6w i t hr t a iv 1 7 、r t x 、v x w o r k s 等多种操作系统下运行，具有良好的网 2 络通讯能力，包括数据传输、远程监控和维护、在线调试、应用程序下载以及支持运 行于多个目标上的控制程序间的通讯。 除了上述典型产品外，还有德国k w - - s o f t w a r e 公司的m u l t i p r o gw t 3 2 ，倍福 t w i n c a t 控制软件t w i n c a t p l c 、p c s o f ti n t e m a t i o n a l 公司的w i n p l c ；美国则有w i z d o m c o n t r o li n t e l l u t i o n 公司的p a r a d y m 3l 、m o o r ep r o d i s ea u t o m a t i o ns o l u t i o n 公司的p r o c e s s s u i t e ：w o n d e r w a r ec o n t r o l s 公司的i n c o n t r o l 等；还有许多自动化公司也推出了自己的 产品，它们在技术和应用上都有各自的特点。 目前国内已有一些著名的自动化软件公司在进行软p l c 的研发工作，如北京亚控 自动化软件科技有限公司正在研究丌发具有自主版权的中文软p l c 产品，广州蚁象自 动化控制有限公司开发的r p l c 也基本达到了国外软p l c 的性能指标7 1 。国内的部分 高校也开展了部分基础技术研究工作，东南大学开发的面向d c s 控制组态软件中包含 一些软p l c 功能n 1 。华中科技大学对软p l c 技术进行了大量的研究，取得了一定的成 果，机械系开发的数控内嵌式p l c 具有软p l c 的特点9 1 。国家数控系统工程与研究中 心开展了开放式数控系统中的软件p l c 技术研究，并对p l c 的梯形图程序编程环境、 梯形图程序与语言程序的相互转换、p l c 程序执行等软件部件的设计和开发进行了研 究“。清华大学制造工程研究所研制了一种基于r tl i n u x 实时操作系统的软件p l c ， 既可以作为一个独立模块和不同的c n c 系统协同工作，也可以嵌入到t h h p i i 型数控 系统内部运行在同一台计算机上，其实时性和可靠性已经在国产t h m 5 6 6 0 h 和t h 5 4 5 6 立式加工中心上得到了验证 i l l 。此外，西安交通大学、西北工业大学、北京工业大学 也在这方面作了一些基础研究工作。 由于软p l c 克服了传统p l c 的一些缺点，有着传统p l c 不可比拟的优越性，因 此研究开发和推广应用软p l c 技术及其产品，将带来巨大的经济效益。相信不久的将 来，在食品加工、炼油化工、冶金、纺织、制浆和造纸、废水处理、制药、汽车制造、 电子等行业，软p l c 有着广阔的应用前景，并产生良好的社会和经济效益 1 2 1 0 1 2 2 嵌入式软p l c 技术研究的问题 嵌入式软p l c 技术是由软p l c 技术和嵌入式系统结合而产生的高新技术，它继承 了嵌入式系统体积小、反应快的优点，同时又克服了传统p l c 的不通用性等弊端。它 把自动化专业知识，以高附加值的方式，在嵌入式行业规模经济的基础上加以发展提 升。它比传统p l c 结构更开放，更利于自动化系统的横向通信和纵向通信。 嵌入式软p l c 技术现已成为研究热点，其中主要研究点如下 1 3 1 ： ( 1 ) 嵌入式软p l c 系统中的嵌入式操作系统 嵌入式软p l c 系统分为两部分：开发系统和运行系统。开发系统一般运行在p c 平台上，而运行系统则运行在嵌入式硬件平台上。一般而言，嵌入式硬件平台上面都 要运行某种嵌入式操作系统，比如w i n d o w sc e 等等。 嵌入式系统的一个重要特点就是资源的有限性，所以如何在一个资源受限的嵌入 式硬件平台上面安装并运行一个嵌入式操作系统成为嵌入式软p l c 系统必须考虑的问 题。另外，虽然现在有很多种嵌入式操作系统，但多数都不是仅针对于控制领域开发 设计的，所以不可避免地存在冗余，因而，裁减和配置嵌入式操作系统也是嵌入式软 p l c 系统开发和设计中的一个难题。 ( 2 ) 嵌入式软p l c 系统中丌发系统的设计和实现 开发系统的设计和实现是嵌入式软p l c 系统开发过程中的一个难点。现代开发系 统一般都是集成开发环境，界面友好，易于使用。嵌入式软p l c 系统基于i e c 6 11 3 1 3 国际标准，所以必然要支持其中的几种语言，如何在一个集成开发环境中支持多种语 言并且使得多种语言之间可以相互调用是个难题。同时，如果丌发系统支持多种语言 的话，如何定义一种合理的中间语言以减少开发系统的编译器工作量也是开发系统设 计中必须考虑的事情。再者，良好的调试功能是现在开发系统中的一个重要组成部分， 调试功能的好坏是评价开发系统的一个重要指标，如何设计调试功能也是开发系统设 计过程中的一个不容忽视的问题。 ( 3 ) 嵌入式软p l c 系统中运行系统的设计和实现 运行系统是嵌入式软p l c 系统的一个重要组成部分。它运行在嵌入式硬件平台上 面，负责解释执行由开发系统编译连接后产生的目标文件。运行系统一般由运行内核、 通信接口和系统管理三大模块组成。它的设计和实现比较精密，它的执行效率将直接 影响到系统在现场控制中的反应速度。所以运行系统的硬件平台设计也是一个难点。 1 3 本课题的来源及研究的目的和意义 本课题来源于国家自然基余科研课题“高次光学非球面零件加工技术”的关于开 关量控制系统的硬件部分和软件部分的设计，这是一个基础技术研究和应用背景较强 的课题。本课题面向当前嵌入式系统高速发展以及软p l c 技术日臻成熟的背景，对基 于嵌入式硬件平台的软p l c 系统进行研究和设计。 虽说用传统p l c 来控制非球面光学零件加工中的控制i o 口部分也是可以的，但 是传统p l c 的一大缺陷是，世界上各大p l c 厂家的产品的硬件、软件的体系结构都是 封闭的而不是丌放的，彼此互不兼容，有的差异还非常大，编程虽多为梯形图，但各 公司的组态、寻址、语法结构又不一致，这给用户带来了诸多不便。所以基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 开放型控制系统研究就有了重要的现实意义。目前控制产品的设计已发 展到一个追求个性化、差异化设计的阶段。常规p l c 面临更多的是个性化、差异化的 压力，如成本控制、特殊功能等。基于嵌入式系统的软p l c 控制系统是架构在嵌入式 系统硬件平台之上的，以嵌入式操作系统( 如w i n c e 、l i n u x 、v x w o r k s 等) 作支撑，系 统的稳定性和可靠性能够得到保证。结合嵌入式测控系统在自动化工业控制、仪器仪 表等行业的不断推广应用，这样的嵌入式控制系统在大型机电设备的单机控制、智能 化仪器以及智能家居等小型嵌入式控制领域中将有广泛的应用前景。随着现代控制过 4 程的复杂化和分散网络化，在许多控制领域中，采用以嵌入式系统平台作支撑的软p l c 控制系统取代传统硬p l c 产品已经成为一个不可阻挡的发展趋势。然而目前国内外的 嵌入式软p l c 产品还处于一个发展阶段，特别是在国内，技术成熟的产品不多。因此， 在现阶段研究基于嵌入式系统的开放型软p l c 控制系统具有重要的现实意义。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的设计目标是设计一个以$ 3 c 2 4 1 0 为嵌入式处理器的，以嵌入式w i n d o w s c e 为操作系统的嵌入式软p l c 系统，其目的是在嵌入式硬件平台上用软件实现p l c 的功能，并要保证系统的兼容性、实时性等性能。 本课题主要研究以下几个内容： ( 1 ) 研究嵌入式软p l c 系统的发展现状，包括国内外发展状况和趋势以及嵌入式软 p l c 技术研究的问题，这为课题的进一步研究工作打下良好的基础； ( 2 ) 嵌入式软p l c 硬件系统的设计，主要完成硬件系统的总体方案设计，在总体设 计方案的基础上，完成硬件系统中的复位电路及j t a g 接口、时钟电路、电源电路、 存储器接口电路、软p l ci o 口、串行接口电路、u s b 接口、c a n 总线接口、以太网 接口以及l c d 和触摸屏接口电路等的设计； ( 3 ) 嵌入式操作系统的定制。通过比较目前市场上广泛流行的几种嵌入式操作系统， 根据软p l c 系统的特点和要求，选出适合软p l c 系统的操作系统，并完成操作系统的 定制； ( 4 ) 嵌入式软p l c 开发系统的设计，主要是按照i e c 6 1 1 3 l 一3 标准在p c 机上用 e v c 抖完成梯形图编辑器的设计，并将设计好的梯形图编辑器下载到嵌入式软p l c 的 硬件系统中； ( 5 ) 嵌入式软p l c 运行系统的设计。根据软p l c 工作原理，按照输入采样、程序 解释执行以及输出刷新三个阶段完成嵌入式软p l c 运行系统的设计，并实现嵌入式软 p l c 巡回扫描的工作方式。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题背景、嵌入式软p l c 系统研究现状，包括国内外发展状况及 趋势和嵌入式软p l c 技术研究的问题，接着介绍了本课题的来源及研究的目的和意义， 最后介绍了本课题的主要研究内容。 第二章嵌入式软p l c 硬件系统的设计 嵌入式软p l c 的硬件系统是整个嵌入式软p l c 系统的核心。本章主要完成软p l c 硬件系统的设计。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的简称，而嵌入 式系统本身却又是一个相对模糊的定义，因为目前嵌入式系统已经渗透到日常生活中 的各个方面，在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩大，所以使得很难 给出“嵌入式系统”一个明确的定义。然而随着嵌入式系统多元化的发展，嵌入式系 统也越来越多地应用于人们的同常生活。人们对嵌入式系统做了如下定义：嵌入式系 统是一个以应用为中心，计算机技术为基础，而且软、硬件都可以剪裁，适用于系统 对可靠性、功能、体积、性价比以及功耗都有严格要求的专用计算机系统。凡具有嵌 入式特点的控制系统都可叫做嵌入式系统。嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬 件设备、嵌入式操作系统及应用程序四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监 控或管理等功能。 与通用计算机系统不同，嵌入式系统应用于特定的环境下，面向的是专业应用领 域，它的设计要求和通用计算机是不同的。总结嵌入式系统的最大特点是其所具有的 针对性和目的性，也就是说每一套嵌入式系统的丌发都有特殊的应用场合和特定功能， 这也是嵌入式系统和通用计算机系统最主要的区别4 1 。此外，嵌入式技术与实时性有 着密切的联系，由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，而且常常受到空间、存储、 成本、带宽等条件的限制，因而，它必须最大程度地在硬件和软件上“量身定做 以 提高效率，从而大大缩短开发周期、降低系统成本。 嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成，其分类也可以从硬件和软件两方面进 行划分。硬件是支柱，软件是灵魂，几乎所有的嵌入式产品都需要由嵌入式软件提供 灵活多样，而且应有特制的功能。设计一个性能优良的嵌入式系统，就需要寻求或丌 发一个合适的软件和硬件系统。 2 2 嵌入式软p l c 硬件系统的设计思想 硬件系统是软p l c 系统软件开发的应用程序运行的基础，它为用户应用程序提供 了物理平台和通信接口。与传统p l c 封闭式的硬件结构不同，软p l c 以开放的硬件平 台作为系统的基础，各个部件均能从市场上获得。考虑到现场工业控制的复杂环境， 嵌入式系统硬件的设计必须保证整个系统运行的稳定性和可靠性，抗干扰能力强，并 6 且有利于扩展，便于进行二次开发，满足开放性。因此需要尽可能的简化硬件设计， 尤其在接口的扩展上，应采用集成度高的隔离芯片。同时，嵌入式主板设计还要遵循 通用性原则，具有良好的二次开发调试便利性。 嵌入式主板的设计首先要考虑它的性能，其次还要顾及它的成本和丌发周期，力 求在各个指标上达到最优。嵌入式软p l c 硬件系统的主板采用c p u 加接口构成，与传 统p l c 硬件相比，具有明显的性价比优势，稳定性和可靠性也能得到保证。在系统设 计过程中一定要考虑怎样使硬件系统尽可能地满足系统软件和应用程序运行时的资源 要求，其次还要提供丰富的通讯外设接口，主要包括程序下载的接口、u s b 接口等， 硬件部分还包括电源部分以及其它功能模块的设计，最后还要兼顾成本控制的要求。 再有硬件系统需要具有良好的可扩展性。输入输出点数是p l c 最重要的指标之一， 因此硬件系统的i o 端口应该能够方便的进行扩展，以满足不同情况下的控制需求。 现在很多嵌入式处理器集成了g p i o 控制器和g p i o 端口。这种端口在微处理器芯片组 没有足够的i o 端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，能够提供额外的控 制和监控功能。每个g p i o 端口可以依照微处理器的规范用软件配置成输入、输出口 或者双向传输端口。g p i o 的扩展也非常方便，只需购买g p i o 端口扩展器即可。 2 3 嵌入式软p l c 硬件系统的设计 2 3 1 系统总体设计 ( 1 ) 系统总体框图 i 一一一一一一，j 图2 1 系统硬件总框图 硬件系统总框图如图2 1 所示。本系统硬件主要由以下几个部分构成：$ 3 c 2 4 10 处理器、存储系统、c p u 支持电路、人机接口和外围扩展单元。其中，存储系统包括 2 片6 4 m b 的s d r a m 和一片6 4 m b 的n a n df l a s h ；c p u 支持电路包括j t a g 接口、 复位电路、时钟电路以及电源管理：外围扩展包括2 个u s b 接口、一个r s 2 3 2 串行 7 口、c a n 总线、以太网以及软p l ci o ；人机接口主要包括l c d 和触摸屏。 ( 2 ) 主要器件选型 嵌入式硬件系统的选型主要是选择嵌入式处理器。在个系统中使用什么嵌入式 处理器内核主要是由应用的领域、用户的需求、成本问题、开发周期等因素决定的。 在确定了使用何种嵌入式处理器后，应该结合实际需求，考虑系统外围设备的需求情 况，选择一款合适的处理器。考虑系统外围设备的思路通常如下：有没有通用串行接 1 5 1 ( u a r t ) ：有没有以太网接口；有没有外设接e 1 ：是否需要d a 或a d 转换器等等。 另外，还要考虑处理器的寻址空间，是否需要f l a s h 存储器，处理器是否便于调试，仿 真调试工具的成本等相关的信息。 在实际的使用过程中，挑选最优的硬件系统是一个很复杂的工作，具有多种顾忌， 包括其他工程的干扰和缺乏完整的信息等。成本是一个重要因素，兼顾成本时，还需 要考虑产品的整体成本，不能只考虑c p u 的价格。有时一个快速且廉价的c p u 可能 会导致这个产品的成本居高不下，因为通常还需要加上延迟逻辑和总线，以便使系统 的各种外设能够相互协调工作。一个好的设计者应该尽量拟订一个合理的预算方案， 进行一定的系统分析，使所选用的硬件系统能够很好的完成所需要的处理任务。 c p u 选型 本系统的核心是s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 芯片。$ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司的3 2 位r i s c 嵌入式处理器。它专为手持设备和一般应用而设计，能满足嵌入式系统中的低 成本、低功耗、高性能、小体积的要求。这是一款目前在市面上用的比较多的，价格 适中的芯片，该芯片除具备一般嵌入式芯片所具有的总线、s d r a m 控制器、3 个串口 等外设之外，$ 3 c 2 4 1 0 还集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶 显示屏) 、n a n df l a s h 的系统引导器、触摸屏接口、u s b 接口、p l l 时钟产生器、i i c 总线控制器、s p i 控制器、i i s 音频接口、s d & m m c 存储卡接口等丰富的外围扩展功 能。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具备同历功能的r t c 和 具有p l l 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，可以使c p u 工作频率达到2 0 3 m h z 。 该工作频率可以使c p u 轻松运行w i n c e 、l i n u x 等操作系统和进行较复杂的信息处理。 u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。除此之外，$ 3 c 2 4 1 0 内部还集成了微处理器和 一些常用外围组件，在很大程度上减少了整个系统的成本，避免了系统配置额外元件 的需求，并且为嵌入式系统提供了一个高效便捷的硬件平台。所以，本文选定$ 3 c 2 4 1 0 作为硬件系统中的c p u 。$ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图如图2 2 所示。 s 3 c 2 4 1 0 集成在片上的功能主要包括： 内核1 8 v 供电3 3 v 外部i o 接口 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h em m u 外部存储器控制器 l c d 控制器并具有1 个通道的d m a 能支持高达4 k 的s t n 和2 5 6 k 的t f t 4 通道带有外部请求引脚的d m a 8 3 通道的u a i 盯和2 通道的s p i 1 通道的多主i i c 总线和l 通道的音频i i s 总线控制器 s d 存储器控制接口 2 个u s b 主口和1 个通道的u s b 从口 4 通道的p w m 定时器和1 通道的内部定时器 看门狗定时器 1 1 7 个g p i o 口，其中包括2 4 个外部中断源 4 种电源模式分别为：一般模式、休眠、低速、掉电 内部a d c ：8 通道1 0 位 触摸屏接口 片上p l l 时钟发生器 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 9 从上面列出的项可以看出$ 3 c 2 4 1 0 的资源丰富，只需简单的扩展即可满足本文所 设计系统的需求。 ( g ) f l a s h 及s d r a m 选型 f l a s h 主要用来存储断电非易失性的数据。嵌入式系统中常用的f l a s h 主要有两种类 型：n o r 和n a n d 。n o r 的特点是在芯片内执行，不需要把程序代码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率非常高，在1 4 m b 的小容量时有非常高的成本效益，但较低的 写入和擦除速度在很大程度上影响了它的性能。n a n d 的结构特点决定了它具有很高 的单元密度，而且写入和擦除的速度快。擦除n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的， 执行一个写入擦除的操作时间一般为l 5 s ；擦除n a n d 器件是以8 - 3 2 k b 的块进行的， 执行相同的操作最多只要4 m s 。另外n a n df l a s h 每个块的擦写次数大约为1 0 0 万次， 而n o rf l a s h 的擦写次数只有1 0 力次1 钉。 本文选用是s a m s u n g 的6 4 mn a n df l a s h 存储器k 9 f 1 2 0 8 。由于n a n df l a s h 具 有容量大、和n o rf l a s h 比较具有价格低等特点，$ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动， 采用n a n df l a s h 与s d r a m 结合，可以得到很高的性价比。无论是进行读操作、擦 除或写操作，k 9 f 1 2 0 8 都比一般f l a s h 省电。 本文选用两块s a m s u n g 公司生产的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 。每一块h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 都是一 个4 m * 1 6 b i t 的同步d r a m 。本文用两片1 6 位的s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 并联起来， 构成3 2 位的s d r a m 存储器，可以满足嵌入式操作系统以及各种较复杂的算法的运行 需求。s d r a m 支持自动刷新和掉电模式。操作s d r a m 时，是由时钟作为同步，因 此操作速度快，数据吞吐量更大。 2 3 2 系统硬件设计 ( 1 ) 复位电路及j t a g 接口电路 j t a g 是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试和对系统进行仿真、调 试。j t a g 是一种嵌入式调试技术，在芯片内封装了特定的t a p 钡, u 试电路，通过专门的 j t a g 钡j j 试工具对内部节点进行测试。j t a g 接口还用于实现i s p 在系统编程的功能。通 过j t a g 接口，可以访问芯片内部的所有部件，因而是丌发调试嵌入式系统的一种简洁 高效的手段舳。多数复杂的器件都支持j t a g 协议，女n a r m 、f p g a 、d s p 器件等。标 准的j t a g 接口信号有t m s 、t c k 、t d i s e i t d o 四个，分别为测试模式选择、测试时钟、 测试数据输入和测试数据输出引脚。 本系统复位电路使用i m p 8 11 t ，提供手动复位和欠压自动复位功能。j t a g 接1 2 1 采用标准的1 4 p i n 接口。来e l j t a g 的复位信号接到了i m p 8 11 t 的输入端上，提供可靠 的复位并避免电平冲突。低电平有效的n r e s e t 经过三极管反相后产生高电平有效复 位r e s e t 信号。复位电路及j t a g 接口如图2 3 所示。 1 0 n r 图2 3 复位电路及j t a g 接口 ( 2 ) 时钟电路 系统时钟为$ 3 c 2 4 1 0 提供时钟信号，使$ 3 c 2 4 1 0 工作在特定的频率下，是系统必 不可少的部分。$ 3 c 2 4 1 0 有两种时钟源：外部时钟输入和片上锁相环。由外部引脚 o m 3 ：2 】来选择$ 3 c 2 4 1 0 的时钟模式。复位信号n r e s e t 的上升沿外部引脚o m 3 ： 2 】的状态被锁存到系统中，决定系统时钟源的选择。 1 2 m h z 晶振电路用于$ 3 c 2 4 1 0 的p l l 时钟发生电路芯片的主时钟和外围器件工作 时钟信号，3 2 7 6 8 k h z 晶振电路提供r t c 的时钟信号，具体电路如图2 4 所示。 u h l )【j n d 图2 4 时钟电路 ( 3 ) 电源电路 系统电源的质量关系到整个系统的稳定性，一个稳定可靠的电源是电子系统可靠 工作的前提。本课题所设计的整个系统需要的电源有2 4 v 、5 v 、3 3 v 、1 8 v 四种。其 中，r s 2 3 2 接口、i o 接口、l c d 和触摸屏接口需要5 v 电压，$ 3 c 2 4 1 0 处理器需要 两种电压，其中内核需要1 8 v ，其它模块需要电压都为3 3 v 。因为逻辑电路部分功耗 极小，因此本文采用线性稳压电源方案，由市电供电经过变压器、全桥整流滤波后， 输入2 4 v 直流电压，供给继电器线圈。2 4 v 电压经过电源滤波器b n x 0 0 2 滤波后再经 l m 2 5 7 5 s - 5 0 v 转换为5 v 直流电压分别送给外围的r s 2 3 2 接口、i o 接口电路、l c d 和触摸屏接1 2 1 ，5 v 直流电压再经过l m l1 17 3 3 v 得到3 3 v 电压提供给c p u 外围模块， 3 3 v 电压再l m l l l 7 1 8 v 得到1 8 v 电压提供给处理器内核。电源电路如图2 5 所示。 一 c 产；嚣争专孵“”l 一 。、，、_ 1 删 【干爿 d i d l l 川) u r s m 晦j 3 0 n 5 8 ii i li 图2 5 电源电路 ( 4 ) 存储器模块 ( d n a n df l a s h 接口电路 f l a s h 闪存是非易失性存储器，它可以对存储器单元块进行擦写和再编程。它具有 体积小、成本低、容量大、掉电数据不丢失等特点，当前已经逐渐取代其它半导体存 储元件，成为嵌入式系统里主要数据和程序的载体。 本文选用的n a n df l a s h 是s a m s u n g 公司的6 4 mn a n df l a s h 存储器k 9 f 1 2 0 8 。 该存储器芯片仅有8 个i o 口，而且是地址、数据、命令复用。这样的设计不仅可减 少引脚数量，还允许在不改变电路板设计的前提下，进行系统的迸一步更新，如容量 扩充等。 k 9 f 1 2 0 8 的引脚主要包括：i o 7 ：0 】输入输出接口，此8 个接口可以对命令、数 据、地址进行输入输出；r e 为读信号，低电平有效；c e 为片选信号，也是低电平有 效；c l e 为命令锁存信号，高电平有效：a l e 为地址锁存信号，也是高电平有效；w e 为写信号，低电平有效；r b 为准备好或忙信号，该信号为高电平时表示芯片处于准 备好状态，该信号为低电平时表示该芯片正处于忙状态，要等电平变为高时才可以进 行操作( i l l 。k 9 f 1 2 0 8 与$ 3 c 2 4 1 0 连接的电路如图2 6 所示。 g n d 图2 6n a n df l a s h 与$ 3 c 2 4 1 0 的连接电路 1 2 s d r a m 接口电路 $ 3 c 2 4 1 0 的c p u 是3 2 位的，外部总线也是3 2 位的，为了最大程度上发挥处理器 的功能，内存最好也是3 2 位的。因为目前市场上极少有3 2 位的单片s d r a m ，所以本 文采用两片1 6 位s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 并联组成3 2 位的s d r a m 存储系统，使用其 中一片作为存储器的高1 6 位，另外一片作为存储器的低1 6 位。因为$ 3 c 2 4 1 0 内集成 了s d r a m 控制模块，所以不需要外接s d r a m 控制器，只要把相关信号与s d r a m 连接起来即可。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 与$ 3 c 2 4 1 0 连接的电路图如图2 7 所示。 、 菇嚣 i ，a 22 3 i ，a 32 4 la42 ， 【a 5 2 6 la62 9 l a 7 3 l j l a 83 l l a 93 2 l l ( 】3 3 la i i3 4 l a l 22 2 3) 5 l a l 43 6 l a “2 1 ) i7i ，n a l 3 i 1 6l f ) a 1 a j f j 5 n a t 2 q i4 【) a f a ! k 3l d a z n , 2 7 2l j ) l a ： i ll d a t a 2 1 1 ) i | d a i a 2 4 9l d a i u 3 8n a i 二： 7l d 队i 1 “；t ) 1 a 2 t l 5l d a i - a 1 t l 4r ) a i a ih 3l d 。r a l7 图2 7s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 的连接图 ( 5 ) 软p l ci o 口 本系统设计8 个输入点( x 0 0 - x 0 7 ) 币i8 个输出点( y 0 0 y 0 7 ) 。本系统输入通道原理 图如图2 8 所示。j l 为输入接线端子，采用光电耦合输入方式，每一个输入通道对应 个l e d 指示灯，当通道被使用，且系统正常工作时，对应的l e d 点亮。为防止工 业现场的恶劣环境的干扰，系统中采用光耦t l p l 8 1 8 进行隔离。 本系统