現(xiàn)場總線的開關(guān)量 I/O 模塊的設(shè)計總述及基本名詞解釋

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化成為現(xiàn)代工業(yè)控制的發(fā)展潮流。20世紀(jì)80年代以來，開放的工業(yè)控制總線迅速發(fā)展，徹底改變了世界的技術(shù)面貌，在此基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)連接到分散控制和嵌入式設(shè)備的控制技術(shù)逐步發(fā)展成熟，遠(yuǎn)程I/O就是在這種條件下發(fā)展的一類產(chǎn)品，可以分散配置在現(xiàn)場，連接當(dāng)?shù)氐妮斎胼敵鲂盘枺瑢崿F(xiàn)要求的配置。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，現(xiàn)場總線技術(shù)將控制功能徹底下放到現(xiàn)場。MODBUS是現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)之一，符合IEC物理層標(biāo)準(zhǔn)，有冗余的物理總線網(wǎng)絡(luò)和嚴(yán)格的控制信息傳輸機制。

實時工業(yè)現(xiàn)場開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集給開發(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(shù)據(jù)I/O，較高的存儲能力，高可靠性等。而種類繁多的ARM處理器具有成本低、功耗低、易開發(fā)和性能好等特點，可開發(fā)出較佳性能的控制采集系統(tǒng)。S3C2440就是其中的一種工業(yè)級ARM微處理器，具有性價比高，可靠性高等特點，因此選用它做為系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺。

Linux操作系統(tǒng)由于其開源、精簡而高效的內(nèi)核，豐富的網(wǎng)絡(luò)性能以及對多種處理器結(jié)構(gòu)的支持，使其在嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而實時處理工業(yè)現(xiàn)場開關(guān)量數(shù)據(jù)是工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用之一。

本文“基于現(xiàn)場總線的開關(guān)量I/O模塊的設(shè)計”實現(xiàn)了一個完整的通用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。介紹了基于MODBUS現(xiàn)場總線的開關(guān)量I/O模塊，此模塊連接了MODBUS現(xiàn)場總線和傳統(tǒng)的開關(guān)量控制設(shè)備。首先簡要介紹了系統(tǒng)總體方案設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。

系統(tǒng)硬件首先對A RM處理器和S3C2440微處理器進行了簡單的介紹，重點論述了S3C2440處理器與存儲器(Nand和SDRAM)、RS485、GPIO等接口的設(shè)計，對開關(guān)量輸入輸出電路進行了深入分析，可同時進行16路開關(guān)量的輸出和采集，并對硬件做了相關(guān)的調(diào)試。

系統(tǒng)軟件分為上位機和下位機兩部分：上位機以Windows XP為開發(fā)平臺，采用VC++軟件設(shè)計界面，利用MSComm控件進行MODBUS串口編程，具有操作簡單，配置靈活的特點;下位機以嵌入式Linux為核心平臺，首先構(gòu)建嵌入式Linux，主要包括bootloader、內(nèi)核的編譯與移植以及嵌入式Linux下文件系統(tǒng)的構(gòu)建。接著對MODBUS協(xié)議的移植和字符設(shè)備驅(qū)動程序(串口、GPIO )做了深入分析，重點用C語言實現(xiàn)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，并對軟件進行了調(diào)試。

1.1引言

近幾十年來，工業(yè)控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)，過渡到分散控制(DCS)系統(tǒng)，但DCS仍是集中與分散相結(jié)合的控制體系。進入90年代，隨著計算機技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)DCS相比具有更多優(yōu)勢，并能帶來巨大的經(jīng)濟效益。根據(jù)國際電工委員會IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的定義：安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。由現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System )。

衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS有三個關(guān)鍵要點，即：核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表，是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，這是FCS的系統(tǒng)效能體現(xiàn)。

FCS與DCS的本質(zhì)差異在于現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)了控制裝置與現(xiàn)場裝置的雙向通信，消除了生產(chǎn)過程監(jiān)控的信息“盲點”。

與DCS相比FCS有如下顯著優(yōu)點：

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

●FCS使用數(shù)字通信，傳輸數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，信息量更大。

●DCS就像PC機，設(shè)備越多，性能越差，F(xiàn)CS就像PC機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，總線上的設(shè)備越多，在總線通信速率足夠快的情況下，F(xiàn)CS功能越強。

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

但是在生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段之前，并不是先進的技術(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(yīng)用的領(lǐng)域，可以允許FCS ，DCS ，PLC等技術(shù)共同存在，一些場合并不一定非要先進的技術(shù)。只要其能在特定的地方發(fā)揮相應(yīng)的功能就行。所以討論誰取代誰并沒有實際的意義。從這個角度講，本論文的基于現(xiàn)場總線的開關(guān)量I/O模塊并不是一個過渡產(chǎn)品，在現(xiàn)場總線技術(shù)深入到儀表之后，開關(guān)量I/0模塊還可在適當(dāng)?shù)牡胤绞褂谩?/p>

1.2研究背景

技術(shù)的發(fā)展和更新?lián)Q代是一個緩慢和逐步接受的過程，F(xiàn)CS不可能很快取代現(xiàn)有控制系統(tǒng)。在FCS逐步推廣的過程中，將所有設(shè)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(shè)備進行連接。

唯有比較才可體現(xiàn)FCS的優(yōu)越性，將傳統(tǒng)儀表集成到FCS系統(tǒng)也可以說是FCS發(fā)展中的一種策略。在比較中可以體現(xiàn)出FCS控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，這樣能夠促進用戶使用FCS的積極性。

從生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況來講，生產(chǎn)現(xiàn)場有許多需要開關(guān)量控制和開關(guān)量顯示的設(shè)備。如電機啟動停止控制、電機行程反饋、變頻器控制和變頻器反饋、溫度開關(guān)、壓力開關(guān)、逆止門電磁鐵指令和電磁鐵狀態(tài)反饋等。而現(xiàn)場總線設(shè)備可能暫時還沒有相應(yīng)產(chǎn)品，或者客戶有傳統(tǒng)設(shè)備的庫存，這就需要將己有的設(shè)備集成到FCS.

另外，從成本考慮，現(xiàn)有的FCS設(shè)備成本大大高于常規(guī)儀表。有些設(shè)備的控制并不一定需要FCS設(shè)備，這樣就要用常規(guī)設(shè)備實現(xiàn)控制功能。這就需要把常規(guī)設(shè)備集成到FCS中來。因此采用開關(guān)量I/O裝置就成為一個很好的選擇。

本文要設(shè)計的現(xiàn)場總線的開關(guān)量I/O模塊是完成MODBUS現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)開關(guān)量設(shè)備互連的控制裝置。尤其適合將傳統(tǒng)工業(yè)的控制系統(tǒng)與FCS控制系統(tǒng)結(jié)合，在所有現(xiàn)場設(shè)備未全部與現(xiàn)場總線融合之前，對企業(yè)原有設(shè)備與現(xiàn)場總線連接方面有很大的現(xiàn)實意義。

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

1.3研究路線及內(nèi)容結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線技術(shù)的研究，是目前工業(yè)控制領(lǐng)域的重要前沿，是當(dāng)前國內(nèi)外都非常熱門的研究方向。針對這種情況，本論文從現(xiàn)場總線上一個開關(guān)量輸入輸出模塊的設(shè)計著手，對其進行設(shè)計與實踐，并對MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)做了初步的接觸。

MODBUS的開關(guān)量I/O模塊放在現(xiàn)場，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀表、執(zhí)行器與FCS的連接。本論文的目的是制作一個實現(xiàn)基于MODBUS的開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出的模塊。

1.3.1研究路線

本文主要是研究和實現(xiàn)一種基于現(xiàn)場總線的開關(guān)量I/O模塊。根據(jù)需求，本模塊采用基于ARM9的S3C2440微處理器作為硬件開發(fā)平臺，嵌入式Linux2.6作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，通過串口RS485，應(yīng)用MODBUS現(xiàn)場總線協(xié)議，實現(xiàn)與上位機控制中心PC機與I/O模塊間的遠(yuǎn)程通信，從而使控制中心能夠得到所需要的數(shù)據(jù);通過可用的G PI O來控制傳統(tǒng)開關(guān)量的采集與控制，并通過控制中心來配置輸入輸出的個數(shù)，鍵盤用來做本地測試。

1.3.2內(nèi)容結(jié)構(gòu)

本文的章節(jié)安排如下：

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

第二章MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)綜述：簡單介紹了MODBUS現(xiàn)場總線的特點，詳細(xì)闡述了MODBUS現(xiàn)場總線的通信原理。

第三章總體方案設(shè)計：重點闡述了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計方案。

第四章開關(guān)量I/O模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用ARM S3C2440作為系統(tǒng)微處理器，設(shè)計了存儲電路、電源電路、RJ45網(wǎng)口，JTAG接口、鍵盤模塊、輸入輸出模塊、RS485接口、復(fù)位電路、時鐘電路，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計。

第五章操作系統(tǒng)移植與驅(qū)動開發(fā)：完成了嵌入式Linux操作系統(tǒng)的構(gòu)建，移植了MODBUS總線協(xié)議，實現(xiàn)了字符設(shè)備驅(qū)動程序。

第六章開關(guān)量I/O模塊軟件結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用程序的開發(fā)。

第七章結(jié)論：總結(jié)了本文的工作，指出了進一步研究的重點。