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

1.4關(guān)鍵技術(shù)分析

1.4.1現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)現場(chǎng)總線(xiàn)的概念是隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，數字通信網(wǎng)絡(luò )延伸到工業(yè)過(guò)程現場(chǎng)成為可能后，于1984年左右提出的?，F場(chǎng)總線(xiàn)是面向工廠(chǎng)底層自動(dòng)化及信息集成的數字化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)?，F場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型主要有：FF、ProfiBus、ControlNet、P-NET、InterBus、CAN和Modbus等。這些總線(xiàn)各有各的規范，互不兼容。

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

(1 )全數字化。在采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的企業(yè)中，用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動(dòng)控制的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )緊密銜接。此外，數字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統的可靠性。

(2 )全分布。在現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，各現場(chǎng)設備有足夠的自主性，它們彼此之間相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設備中，實(shí)現真正的分布式控制。

(3 )雙向傳輸。對于傳統的4-20mA電流信號，一條線(xiàn)只能傳遞一路信號?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備在一條線(xiàn)上則可以向上傳遞傳感器信號，也可以向下傳遞控制信號。

(4 )自診斷?，F場(chǎng)總線(xiàn)儀表本身具有自診斷功能，而且這種診斷信息可以送到中央控制室，以便于維護，而這在只能傳遞一路信號的傳統儀表中是做不到的。

(5 )節省布線(xiàn)及控制室空間。傳統的控制系統每個(gè)儀表都需要一條線(xiàn)連到中央控制室，在中央控制室裝備一個(gè)搭配線(xiàn)架。而在FCS系統中多臺現場(chǎng)設備可串行連接在一條總線(xiàn)上，只需較少的線(xiàn)進(jìn)入中央控制室，這樣就大量節省了布線(xiàn)費用，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià)。

(6 )多功能儀表。數字雙向傳輸方式使得現場(chǎng)總線(xiàn)儀表可以擺脫傳統儀表功能單一的制約，可以在一個(gè)儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測、運算、控制于一體的變送控制器。

(7 )開(kāi)放性。1999年底現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議已被IEC批準正式成為國際標準，從而使現場(chǎng)總線(xiàn)成為一種開(kāi)放的技術(shù)。

(8 )互操作性?，F場(chǎng)總線(xiàn)標準保證不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品可以互操作，這樣就可以在一個(gè)企業(yè)中由用戶(hù)根據產(chǎn)品的性能、價(jià)格選用不同廠(chǎng)商的產(chǎn)品，集成在一起，避免了傳統控制系統中必須選用同一廠(chǎng)家的產(chǎn)品限制，促進(jìn)有效的競爭，降低控制系統的成本。

(9 )智能化與自治性?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備具有很高的智能，能處理各種參數、運行狀態(tài)信息及故障信息，甚至能在部件、網(wǎng)絡(luò )故障的情況下獨立工作，大大提高了整個(gè)控制系統的可靠性。

現場(chǎng)總線(xiàn)突破了DCS系統中因專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )的封閉造成的缺陷，采用開(kāi)放化、標準化的解決方案，把來(lái)自不同廠(chǎng)商而遵守同一協(xié)議規范的自動(dòng)化設備連接成控制網(wǎng)絡(luò )，組合成各類(lèi)控制系統，實(shí)現綜合自動(dòng)化的各種功能。其突出特點(diǎn)是開(kāi)放性、分散性與數字通信。

1.4.2嵌入式技術(shù)

●嵌入式系統

根據IEEE (國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì ))的定義，嵌入式系統是“以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶(hù)的應用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現對其他設備的控制、監視或管理等功能”。在當前數字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)高速發(fā)展的后PC時(shí)代，嵌入式系統已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設計、軍事技術(shù)、工業(yè)控制等方方面面中，而且工業(yè)控制是嵌入式系統重要的應用領(lǐng)域。

嵌入式系統的主要特點(diǎn)：

(1 )系統內核小。嵌入式系統通常是面向特定應用的嵌入式CPU，通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，系統資源相對有限，所以?xún)群溯^之傳統的操作系統要小得多，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強。

(2 )專(zhuān)用性強。嵌入式系統的個(gè)性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統的移植。

(3 )系統精簡(jiǎn)。嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余。

(4 )具有實(shí)時(shí)性的系統軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。

(5 )支持多任務(wù)。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務(wù)的操作系統。

嵌入式系統的應用程序可以沒(méi)有操作系統而直接在芯片上運行：但是為了合理的調度多任務(wù)。利用系統資源、系統函數以及專(zhuān)家庫函數接口，用戶(hù)必須自行選配RTOS( Real-Time Operating System )開(kāi)發(fā)平臺，這樣才能保證程序執行的實(shí)時(shí)性、可靠性并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

(6 )嵌入式系統開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設計完成后，用戶(hù)通常不能對其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)時(shí)往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開(kāi)發(fā)，目標機作為最后的執行機，開(kāi)發(fā)是需要交替結合進(jìn)行。

●嵌入式操作系統

嵌入式操作系統就是支持嵌入式系統工作的操作系統，是嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺。它是一段嵌入在目標代碼中的軟件，用戶(hù)的其他應用程序都建立在操作系統之上，它在知識體系和技術(shù)本質(zhì)上與通用操作系統沒(méi)有太大的區別，一般用于比較復雜的嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)中。由于大多數嵌入式系統應用在實(shí)時(shí)環(huán)境中，因此嵌入式系統一般具有實(shí)時(shí)特點(diǎn)。

嵌入式操作系統是嵌入式系統的靈魂，它的出現大大提高了嵌入式系統開(kāi)發(fā)的效率，減少了系統開(kāi)發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應用軟件的可移植性。為了滿(mǎn)足嵌入式系統的需要，嵌入式操作系統必須要包括操作系統的一些最基本的功能，如中斷處理與進(jìn)程調度，用戶(hù)可以通過(guò)應用程序接口(API)來(lái)使用操作系統。

●嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程

在嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中有宿主機和目標機之分：宿主機是執行編譯、鏈接、定址過(guò)程的計算機;目標機指運行嵌入式軟件的硬件平臺。首先須把應用程序轉換成可以在目標機上運行的二進(jìn)制代碼。這一過(guò)程包含三個(gè)步驟：編譯、鏈接、定址。編譯過(guò)程由交叉編譯器實(shí)現。所謂交叉編譯器就是運行在一個(gè)計算機平臺上并為另一個(gè)平臺產(chǎn)生代碼的編譯器。常用的交叉編譯器有GNUC/C++ (gcc)。編譯過(guò)程產(chǎn)生的所有目標文件被鏈接成一個(gè)目標文件，稱(chēng)為鏈接過(guò)程。定址過(guò)程會(huì )把物理存儲器地址指定給目標文件的每個(gè)相對偏移處。該過(guò)程生成的文件就是可以在嵌入式平臺上執行的二進(jìn)制文件。常用的集成開(kāi)發(fā)工具有ADSl.2等。

嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中另一個(gè)重要的步驟是調試目標機上的應用程序。嵌入式調試采用交叉調試器，一般采用宿主機-目標機的調試方式，它們之間由串行口線(xiàn)或以太網(wǎng)或BDM線(xiàn)相連。交叉調試有任務(wù)級、源碼級和匯編級的調試，調試時(shí)需將宿主機上的應用程序和操作系統內核下載到目標機的RAM中或直接燒錄到目標機的FLASH中。目標監控器是調試器對目標機上運行的應用程序進(jìn)行控制的代理( Debugger Agent)，事先被固化在目標機的Flash、ROM中，在目標機上電后自動(dòng)啟動(dòng)，并等待宿主機方調試器發(fā)來(lái)的命令，配合調試器完成應用程序的下載、運行和基本的調試功能，將調試信息返回給宿主機[5 ]。