現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊的設計總述及基本名詞解釋

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，徹底改變了世界的技術(shù)面貌，在此基礎上通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到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，可以分散配置在現場(chǎng)，連接當地的輸入輸出信號，實(shí)現要求的配置。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將控制功能徹底下放到現場(chǎng)。MODBUS是現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準之一，符合IEC物理層標準，有冗余的物理總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和嚴格的控制信息傳輸機制。

實(shí)時(shí)工業(yè)現場(chǎng)開(kāi)關(guān)量數據的采集給開(kāi)發(fā)者提出了廣泛的要求，包括較高的處理性能，低功耗，高速數據I/O，較高的存儲能力，高可靠性等。而種類(lèi)繁多的ARM處理器具有成本低、功耗低、易開(kāi)發(fā)和性能好等特點(diǎn)，可開(kāi)發(fā)出較佳性能的控制采集系統。S3C2440就是其中的一種工業(yè)級ARM微處理器，具有性?xún)r(jià)比高，可靠性高等特點(diǎn)，因此選用它做為系統開(kāi)發(fā)的硬件平臺。

Linux操作系統由于其開(kāi)源、精簡(jiǎn)而高效的內核，豐富的網(wǎng)絡(luò )性能以及對多種處理器結構的支持，使其在嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用，而實(shí)時(shí)處理工業(yè)現場(chǎng)開(kāi)關(guān)量數據是工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應用之一。

本文“基于現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊的設計”實(shí)現了一個(gè)完整的通用嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺。介紹了基于MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊，此模塊連接了MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)和傳統的開(kāi)關(guān)量控制設備。首先簡(jiǎn)要介紹了系統總體方案設計，在此基礎上，把系統設計分為硬件設計和軟件設計兩大部分。

系統硬件首先對A RM處理器和S3C2440微處理器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，重點(diǎn)論述了S3C2440處理器與存儲器(Nand和SDRAM)、RS485、GPIO等接口的設計，對開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路進(jìn)行了深入分析，可同時(shí)進(jìn)行16路開(kāi)關(guān)量的輸出和采集，并對硬件做了相關(guān)的調試。

系統軟件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，首先構建嵌入式Linux，主要包括bootloader、內核的編譯與移植以及嵌入式Linux下文件系統的構建。接著(zhù)對MODBUS協(xié)議的移植和字符設備驅動(dòng)程序(串口、GPIO )做了深入分析，重點(diǎn)用C語(yǔ)言實(shí)現了基于RS485接口的MODBUS串口編程，給出了軟件流程圖及核心代碼，并對軟件進(jìn)行了調試。

1.1引言

近幾十年來(lái)，工業(yè)控制系統從傳統的集中控制系統，過(guò)渡到分散控制(DCS)系統，但DCS仍是集中與分散相結合的控制體系。進(jìn)入90年代，隨著(zhù)計算機技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，出現了現場(chǎng)總線(xiàn)，現場(chǎng)總線(xiàn)與傳統DCS相比具有更多優(yōu)勢，并能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。根據國際電工委員會(huì )IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)。由現場(chǎng)總線(xiàn)與現場(chǎng)智能設備組成的控制系統稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(Fieldbus Control System )。

衡量一個(gè)控制系統是否為真正的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS有三個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，即：核心、基礎和本質(zhì)。FCS的核心是總線(xiàn)協(xié)議，只有遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的控制系統，才能稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統;FCS的基礎是數字智能現場(chǎng)儀表，是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現場(chǎng)化，這是FCS的系統效能體現。

FCS與DCS的本質(zhì)差異在于現場(chǎng)級設備的數字化、網(wǎng)絡(luò )化，實(shí)現了控制裝置與現場(chǎng)裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過(guò)程監控的信息“盲點(diǎn)”。

與DCS相比FCS有如下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：

●DCS有I/O模件控制柜，FCS很少。這樣就省去了中間環(huán)節，降低了系統成本，節省電纜及相關(guān)的材料和安裝費用。

●FCS使用數字通信，傳輸數據更準確，信息量更大。

●DCS就像PC機，設備越多，性能越差，FCS就像PC機構成的網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)上的設備越多，在總線(xiàn)通信速率足夠快的情況下，FCS功能越強。

●具有可互操作性、可互換性，克服傳統DCS和PLC等含有專(zhuān)利性技術(shù)的控制系統所帶來(lái)的封閉性問(wèn)題，降低工程項目的建造和運營(yíng)成本。

但是在生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段之前，并不是先進(jìn)的技術(shù)就一定要完全取代落后的技術(shù)。不同層次的技術(shù)有它應用的領(lǐng)域，可以允許FCS ，DCS ，PLC等技術(shù)共同存在，一些場(chǎng)合并不一定非要先進(jìn)的技術(shù)。只要其能在特定的地方發(fā)揮相應的功能就行。所以討論誰(shuí)取代誰(shuí)并沒(méi)有實(shí)際的意義。從這個(gè)角度講，本論文的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊并不是一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品，在現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)深入到儀表之后，開(kāi)關(guān)量I/0模塊還可在適當的地方使用。

1.2研究背景

技術(shù)的發(fā)展和更新?lián)Q代是一個(gè)緩慢和逐步接受的過(guò)程，FCS不可能很快取代現有控制系統。在FCS逐步推廣的過(guò)程中，將所有設備全部采用FCS的可能性不大，這樣就不可避免地要與已有的設備進(jìn)行連接。

唯有比較才可體現FCS的優(yōu)越性，將傳統儀表集成到FCS系統也可以說(shuō)是FCS發(fā)展中的一種策略。在比較中可以體現出FCS控制系統的優(yōu)越性，這樣能夠促進(jìn)用戶(hù)使用FCS的積極性。

從生產(chǎn)現場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)講，生產(chǎn)現場(chǎng)有許多需要開(kāi)關(guān)量控制和開(kāi)關(guān)量顯示的設備。如電機啟動(dòng)停止控制、電機行程反饋、變頻器控制和變頻器反饋、溫度開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、逆止門(mén)電磁鐵指令和電磁鐵狀態(tài)反饋等。而現場(chǎng)總線(xiàn)設備可能暫時(shí)還沒(méi)有相應產(chǎn)品，或者客戶(hù)有傳統設備的庫存，這就需要將己有的設備集成到FCS.

另外，從成本考慮，現有的FCS設備成本大大高于常規儀表。有些設備的控制并不一定需要FCS設備，這樣就要用常規設備實(shí)現控制功能。這就需要把常規設備集成到FCS中來(lái)。因此采用開(kāi)關(guān)量I/O裝置就成為一個(gè)很好的選擇。

本文要設計的現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊是完成MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)與傳統開(kāi)關(guān)量設備互連的控制裝置。尤其適合將傳統工業(yè)的控制系統與FCS控制系統結合，在所有現場(chǎng)設備未全部與現場(chǎng)總線(xiàn)融合之前，對企業(yè)原有設備與現場(chǎng)總線(xiàn)連接方面有很大的現實(shí)意義。

因此，基于以上考慮，有了市場(chǎng)和技術(shù)的巨大需求開(kāi)發(fā)基于MODBUS的開(kāi)關(guān)量I/O模塊成為必然。

1.3研究路線(xiàn)及內容結構

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究，是目前工業(yè)控制領(lǐng)域的重要前沿，是當前國內外都非常熱門(mén)的研究方向。針對這種情況，本論文從現場(chǎng)總線(xiàn)上一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊的設計著(zhù)手，對其進(jìn)行設計與實(shí)踐，并對MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)做了初步的接觸。

MODBUS的開(kāi)關(guān)量I/O模塊放在現場(chǎng)，實(shí)現傳統儀表、執行器與FCS的連接。本論文的目的是制作一個(gè)實(shí)現基于MODBUS的開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出的模塊。

1.3.1研究路線(xiàn)

本文主要是研究和實(shí)現一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量I/O模塊。根據需求，本模塊采用基于A(yíng)RM9的S3C2440微處理器作為硬件開(kāi)發(fā)平臺，嵌入式Linux2.6作為系統軟件開(kāi)發(fā)平臺，通過(guò)串口RS485，應用MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，實(shí)現與上位機控制中心PC機與I/O模塊間的遠程通信，從而使控制中心能夠得到所需要的數據;通過(guò)可用的G PI O來(lái)控制傳統開(kāi)關(guān)量的采集與控制，并通過(guò)控制中心來(lái)配置輸入輸出的個(gè)數，鍵盤(pán)用來(lái)做本地測試。

1.3.2內容結構

本文的章節安排如下：

第一章緒論：概述了課題研究的背景以及應用領(lǐng)域，闡述了本論文研究的目的和意義、研究路線(xiàn)以及論文的架構安排。

第二章MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)綜述：簡(jiǎn)單介紹了MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)，詳細闡述了MODBUS現場(chǎng)總線(xiàn)的通信原理。

第三章總體方案設計：重點(diǎn)闡述了系統硬件和軟件的設計方案。

第四章開(kāi)關(guān)量I/O模塊硬件結構設計：采用ARM S3C2440作為系統微處理器，設計了存儲電路、電源電路、RJ45網(wǎng)口，JTAG接口、鍵盤(pán)模塊、輸入輸出模塊、RS485接口、復位電路、時(shí)鐘電路，完成系統硬件設計。

第五章操作系統移植與驅動(dòng)開(kāi)發(fā)：完成了嵌入式Linux操作系統的構建，移植了MODBUS總線(xiàn)協(xié)議，實(shí)現了字符設備驅動(dòng)程序。

第六章開(kāi)關(guān)量I/O模塊軟件結構設計：分上位機和下位機兩部分，介紹了基于MODBUS的串口編程，完成應用程序的開(kāi)發(fā)。

第七章結論：總結了本文的工作，指出了進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。