現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊的總體方案設計

3.1遠程IO產(chǎn)品簡(jiǎn)介

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化成為現代工業(yè)控制的發(fā)展潮流。20世紀80年代以來(lái)，開(kāi)放的工業(yè)控制總線(xiàn)迅速發(fā)展，在此基礎上通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接的分散控制和嵌入式設備的控制技術(shù)逐步發(fā)展成熟，遠程I/O就是在這種條件下發(fā)展的一類(lèi)產(chǎn)品，開(kāi)放和通用是其主要特征。符合開(kāi)放的總線(xiàn)規約，如Modbus、Device Net、Profibus-DP、Ethernet/IP等，能直接接入相應的網(wǎng)絡(luò )，可與其他制造商提供的可編程控制器、上位機協(xié)同工作?？煞稚⑴渲迷?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/現場(chǎng)">現場(chǎng)，連接當地的輸入/輸出信號，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到控制器，實(shí)現要求的控制。規約的開(kāi)放性使它可連接到任何其他制造商符合規范的各種控制器。

正是這種通用性使遠程I/O產(chǎn)品成為獨立的產(chǎn)品而得到迅速的發(fā)展，成為工業(yè)控制領(lǐng)域重要的基礎件。遠程I/O模塊主要應用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統，可用于連接工業(yè)控制系統中的各種現場(chǎng)裝置數字量、模擬量輸入/輸出信號。

20世紀80年代出現的IO產(chǎn)品，只作為PLC的專(zhuān)用附件，用于IO模塊的遠程分散配置，使用專(zhuān)用的通信規約與主機連接。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展，通過(guò)開(kāi)放總線(xiàn)連接的遠程IO模塊才成為可獨立使用的產(chǎn)品。近年來(lái)逐漸出現了可配置遠程I/O模塊?？膳渲檬侵敢粋€(gè)遠程I/O節點(diǎn)所連接的輸入/輸出的模塊數和規格(輸入或輸出、信號電平、數字量或模擬量等)可在規定范圍內自由組合，以適應不同現場(chǎng)的要求，同時(shí)還可通過(guò)選擇接入的總線(xiàn)通信適配器適應不同的總線(xiàn)規約?？膳渲眠h程I /O模塊非常適合多總線(xiàn)的產(chǎn)品系列，在應用于不同的總線(xiàn)類(lèi)型時(shí)，無(wú)需更換整個(gè)模塊，只需更換相應的總線(xiàn)通信適配器即可。

3.2 IO模塊的需求分析

飛速發(fā)展的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)對電子設備的現場(chǎng)快速測試提出越來(lái)越高的要求，這必須依靠自動(dòng)測試系統來(lái)完成。微波自動(dòng)測試的目標和步驟千差萬(wàn)別，為提高測試效率，需要將微波開(kāi)關(guān)矩陣融入到自動(dòng)測試系統中。微波開(kāi)關(guān)矩陣主要實(shí)現自動(dòng)測試設備與被測電路單元之間的信息交換，以及為被測單元提供必要的負載，是微波自動(dòng)測試系統的重要組成部分。

本論文提出了一種基于MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量IO模塊設計，開(kāi)關(guān)量的輸出和采集就是基于微波開(kāi)關(guān)矩陣控制系統而設計的，采用RS485接口應用MODBUS協(xié)議與上位機通信，可同時(shí)進(jìn)行16路開(kāi)關(guān)量的控制和采集，通過(guò)上位機界面可靈活配置。

3.3系統硬件方案設計

本方案采用的核心處理器S3C2440是一款由Samsung公司設計的低功耗、高度集成的16/32位RISC處理器，它采用289腳FBGA封裝，為手持設備和一般類(lèi)型應用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

系統硬件主要包括：S3C2440處理器，存儲單元( Flash和SDRAM )、電源模塊、時(shí)鐘模塊、復位模塊、JTAG調試模塊、網(wǎng)絡(luò )模塊、RS485模塊、IO模塊、鍵盤(pán)模塊。

S3C2440處理器負責對單元的控制、運算和處理等功能;存儲單元為Flash和SDRAM;電源模塊采用220V交流電，經(jīng)過(guò)電壓轉換模塊得到內核、IO等的工作電壓;時(shí)鐘模塊采用12M的無(wú)源晶振作為系統外部時(shí)鐘源，和一個(gè)32.768kHz的無(wú)源晶振作為RTC時(shí)鐘源;復位模塊防止程序跑飛，進(jìn)行及時(shí)復位;JTAG用來(lái)對bootloader的燒寫(xiě);網(wǎng)絡(luò )模塊用來(lái)快速更新內核、文件系統及應用程序;RS485模塊用于基于MODBUS協(xié)議的串口通信;IO模塊用來(lái)對開(kāi)關(guān)量的控制和采集;鍵盤(pán)模塊用來(lái)對本地進(jìn)行操作、測試。

3.4系統軟件方案設計

軟件設計主要包括嵌入式操作系統以及用戶(hù)應用程序，即嵌入式Linux操作系統環(huán)境的建立以及在此系統下進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)。

●嵌入式Linux軟件設計開(kāi)發(fā)流程

第一，建立開(kāi)發(fā)環(huán)境

操作系統一般使用RedHatLinux，版本從7到9都可以，選擇定制安裝或全部安裝，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載相應的GCC交叉編譯器機型安裝(例如arm - Linux-gcc、arm-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠(chǎng)家提供的交叉編譯器。

第二，配置開(kāi)發(fā)主機

在Linux下，配置串口通訊工具minicom，其作用是作為調試嵌入式開(kāi)發(fā)板的信息輸出的監視器和鍵盤(pán)輸入的工具。配置網(wǎng)絡(luò )，主要是配置網(wǎng)絡(luò )文件系統NFS，需要關(guān)閉防火墻，簡(jiǎn)化嵌入式網(wǎng)絡(luò )調試設置過(guò)程。

第三，建立引導裝載程序Bootloader

從網(wǎng)站上下載一些公開(kāi)源代碼的bootloader，如U-boot、blob、vivi等，根據自己具體的芯片進(jìn)行移植修改。例如三星公司的ARM7、ARM9系列的芯片，這樣就需要修改開(kāi)發(fā)板上Flash的燒寫(xiě)程序，網(wǎng)絡(luò )上有免費下載的Windows下通過(guò)JTAG并口簡(jiǎn)易仿真器燒寫(xiě)ARM外圍Flash芯片的燒寫(xiě)程序，也有Linux下的公開(kāi)源代碼的J-Flash程序。

第四，下載裁減編譯好的Linux操作系統

根據硬件平臺從網(wǎng)上下載適當的Linux源碼，下載后根據應用再添加特定硬件的驅動(dòng)程序，進(jìn)行調試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調試驅動(dòng)。

第五，建立根文件系統

使用busybox軟件進(jìn)行根文件系統功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最基本的根文件系統，再根據自己的應用需要添加其他程序，需要使用mkcramfs、genromfs等工具產(chǎn)生燒寫(xiě)鏡像文件。

第六，開(kāi)發(fā)應用程序

應用程序可以放入根文件系統中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統中，有的應用不使用根文件系統，直接將應用程序和內核設計在一起。

第七，燒寫(xiě)內核、根文件系統、應用程序

●應用程序設計

本論文的應用程序設計主要是針對基于MODBUS協(xié)議的串口編程。FreeMODBUS是針對通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統中應用的一個(gè)實(shí)現，便于移植到linux內核中。

MODBUS協(xié)議的串口編程分為上位機和下位機兩部分;上位機以Windows XP為開(kāi)發(fā)平臺，采用VC++軟件設計界面，利用MSComm控件進(jìn)行MODBUS串口編程，具有操作簡(jiǎn)單，配置靈活的特點(diǎn);下位機以嵌入式Linux為核心平臺，用C語(yǔ)言實(shí)現了基于RS485接口的MODBUS串口編程。

4開(kāi)關(guān)量I/O模塊硬件結構設計

4.1硬件系統整體設計

硬件的設計首先應該考慮它的性能及市場(chǎng)前景，其次還要顧及到它的成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，力求它的性?xún)r(jià)比及開(kāi)發(fā)時(shí)間等指標達到最優(yōu)。

整個(gè)裝置的硬件包含兩塊電路板：ARM9S3C2440核心板和外圍電路板。選用protel99SE來(lái)繪制電路原理圖和PCB，系統硬件結構如圖4.1所示：

4.2核心處理器芯片的選擇

4.2.1 ARM簡(jiǎn)介

ARM (Advanced RISC Machine )公司是一家專(zhuān)門(mén)從事芯片IP設計與授權業(yè)務(wù)的英國公司，其產(chǎn)品有ARM內核以及外圍接口。ARM內核是一種32位RISC微處理器，具有功耗低、性?xún)r(jià)比高和代碼密度高等特點(diǎn)。

1991年ARM公司成立于英國劍橋，ARM公司是專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯目前片設計開(kāi)發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買(mǎi)其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領(lǐng)域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，因此既使得AR M技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費者所接受，更具有競爭力。

4.2.2 S3C2440簡(jiǎn)介

在工業(yè)控制領(lǐng)域有核心處理芯片品種多，技術(shù)都比較成熟，穩定性好，給我們的選擇余地比較大。8位單片機以51內核單片機為代表，16位單片機以TIMSP430為代表，32位單片機以ARM7、ARM9內核嵌入式處理器為代表。51內核單片機是目前應用最廣泛，工程師涉足人數最多的單片機，工業(yè)控制的產(chǎn)品大多數是基于51內核單片機開(kāi)發(fā)的，它的最大優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，電磁兼容性好，價(jià)格便宜，開(kāi)發(fā)成本低，開(kāi)發(fā)的人數比較多。它的最大的缺點(diǎn)是寄存器位數少、可尋址空間范圍小，不利于做一些比較復雜的算法運算，或者一些外圍設備比較多的應用;ARM7處理器采用3級流水線(xiàn)結構，且主頻較低，目前已逐漸退出主流應用場(chǎng)合。ARM9處理器，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于A(yíng)RM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執行周期實(shí)現的。最后選用了市場(chǎng)上比較流行的基于A(yíng)RM9內核的S3C2440微處理器，它是工業(yè)級芯片，具有非常豐富的片上功能。

S3C2440微處理器采用289-FPGA封裝，為手持設備和通用嵌入式應用提供了豐富的片上集成系統解決方案， 16/32位RISC體系結構和ARM920T內核強大的指令集，主頻為400MHz，其ARM920T核由ARM9TDMI、存儲器管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。

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