【正文】 AM 區(qū)內(nèi)，可由計(jì)算機(jī)用指令很方便地修改。這種方法具有系統(tǒng)使用元件少 、集成度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又保持了模擬控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。專(zhuān)用控制芯片價(jià)格便宜，使系統(tǒng)成本較低。 但由于受專(zhuān)用控制芯片本身的限制，這種方法也有一些缺點(diǎn)：①為了保證較高的系統(tǒng)響應(yīng)速度而將軟件算法固化在芯片內(nèi)部，降低了系統(tǒng)的靈活性，不具有擴(kuò)展能力；②受芯片制作工藝的限制，現(xiàn)有的芯片很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和功能；③用戶(hù)不能對(duì)芯片進(jìn)行編程，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)；④由于芯片本身算法的限制，系統(tǒng)的控制精度較低，難以實(shí)現(xiàn)高性能、高精度的應(yīng)用場(chǎng)合。 3 可編程邏輯器件 由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)和復(fù)雜 可編程邏輯器件 (CPLD)具有用戶(hù)可編程的特性，使得用戶(hù)可以利用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件或 VHDL 等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，并將這些算法下載到相應(yīng)的可編程邏輯器件中，從而最終以硬件的方式實(shí)現(xiàn)控制。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：①系統(tǒng)的主要功能都可在單片 FPGA／ CPLD 器件中實(shí)現(xiàn)，減少了所需的元器件個(gè)數(shù)，縮小了系統(tǒng)體積；②由于可編程器件具有系統(tǒng)可編程的特性，因而具有較好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，通過(guò)修改軟件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)；③系統(tǒng)以硬件實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)并行處理；④容易開(kāi)發(fā)，通用性強(qiáng)。 但是由于使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn) 的控制算法越復(fù)雜，器件內(nèi)部需要的晶體管門(mén)數(shù)就越多，成本就越高，因此一般使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法，構(gòu)成較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。 嵌入式處理器 嵌入式處理器可以分為三類(lèi)：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式 DSP（ Digital Signal Processor）。 （ 1） 嵌入式微控制器（單片機(jī)） 嵌入式微控制器又稱(chēng)為單片機(jī)，它將 MCU、存儲(chǔ)器（少量的 RAM、 ROM 或兩者都有）和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路里，常見(jiàn)的有 8051， PIC， AVR 等系列。 由于將 MCU、 RAM、 ROM 或 EPROM、 I/O 等集成在一塊芯片上，單片機(jī)具有集成度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、重量輕、體積小、價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且單片機(jī)的功能愈來(lái)愈強(qiáng)，因而目前使用單片機(jī)為核心構(gòu)成的控制器非常普遍。這種控制方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：①模擬電路實(shí)現(xiàn)邏輯控制需要許多分立電子元件，而在微控制單元中絕大多數(shù)控制邏輯可采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，使電路更簡(jiǎn)單；②單片機(jī)具有大容量的存儲(chǔ)器和較強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高，因此可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制運(yùn)算；③由于微控制單元的控制方式主要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要改變控制規(guī)律時(shí)只需修改相應(yīng)的軟件即可，因而具有較強(qiáng)的靈活性 和適應(yīng)性；④由于數(shù)字控制系統(tǒng)中一般不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，且控制器的字長(zhǎng)一般可保證足夠的控制精度，因而具有較高的控制精度；⑤可設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作。 但是，由于一般微控制單元集成度較低，片上不具備一些控制系統(tǒng)所需要的專(zhuān)用外設(shè)，使以單片機(jī)為核心的控制器仍然需要較多的周邊元器件，如要加上存儲(chǔ)器、編碼器及 DA 轉(zhuǎn)換電路等，軟硬件設(shè)計(jì)的工作量較大，并增加了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，降低了系 4 統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，由于單片機(jī)一般采用馮一諾依曼總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，使處理速度和能力有限。 （ 2） 嵌入式 DSP 數(shù)字信號(hào)處理 器（ DSP）專(zhuān)門(mén)用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、 FFT、譜分析、圖像處理的分析等領(lǐng)域有著大量應(yīng)用。DSP 在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和指令流程設(shè)計(jì)等方面都做了較大的改進(jìn)， DSP 器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線(xiàn)，使 DSP 器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。正是由于其高速運(yùn)算能力， DSP 可以實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的控制算法和功能，并且在運(yùn)算精度方面具有優(yōu)勢(shì)。 但 DSP 的片上資源還算不上豐富，而且通訊接口也不是其重點(diǎn) ，所以一般常常和其他處理器（比如 ARM 處理器）配合使用，執(zhí)行計(jì)算密集型操作，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理算法 ,而另一個(gè)處理器往往負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的運(yùn)行、任務(wù)管理和協(xié)調(diào)以及 DSP 的控制。 （ 3） 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的 CPU。在應(yīng)用中，一般是將微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電路板（核心板）上，在母板上只保留和嵌入式相關(guān)的功能即可，這樣可以滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式處理器主要包括：PowerPC、 Motorola 68000、 ARM 系列等等。近幾年來(lái) ,隨著 ARM 技術(shù)的不斷成 熟 ,使用ARM處理器作為核心的控制器不斷涌現(xiàn)，其原因主要是 ARM特有的優(yōu)勢(shì) :ARM核的開(kāi)放性，ARM 芯片的高性?xún)r(jià)比、高可靠性和極低的功耗， ARM 豐富的擴(kuò)展接口，以及應(yīng)用系統(tǒng)軟件良好的可移植性和嵌入式操作系統(tǒng)的易植入性等等。正是借助操作系統(tǒng)帶來(lái)的通訊協(xié)議和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的便利， ARM 控制器通常具備了豐富的通訊接口和較復(fù)雜的控制算法程序，使得其可以應(yīng)用在眾多場(chǎng)合。 針對(duì)目前流行的 ARM 處理器和控制器 PC 化的發(fā)展趨勢(shì)， 如果 我們 設(shè)計(jì)一種嵌入式工業(yè)控制器 , 采用模塊化設(shè)計(jì)的方法 , 結(jié)合模塊化的靈活性和嵌入式系統(tǒng) 的高效、穩(wěn)定特性。它可以測(cè)量多種信號(hào) , 有較高的測(cè)量精度和多種測(cè)量范圍并且能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行各種復(fù)雜的處理、運(yùn)算控制。另外還 可以設(shè)計(jì) 一個(gè)良好的人機(jī)界面 以方便 用戶(hù)對(duì)信號(hào)組態(tài)控制、監(jiān)測(cè)的功能 , 使控制器更加 滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)控制的要求。 這也就是本項(xiàng)目研究的目的 及意義 。 5 第二章 ． 控制器的 設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng) 整體方案 的確定 實(shí)訓(xùn)的目標(biāo)： 設(shè)計(jì)一個(gè)基于 STM32 單片機(jī)的模塊化工業(yè)控制器，采用分模塊的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)工業(yè)控制器分成幾個(gè)模塊，形成自己的小單元電路，包括 CPU 主控制模塊、LCD 顯示模塊、 AD 采集模塊、 I/O 模塊，模塊 之間采用 RS485 總線(xiàn)連接，通信協(xié)議采用modbus 一主多從協(xié)議。 硬件設(shè)計(jì) ： 以 STM32 為核心控制器完成 CPU 主控制器、 AD 采集模塊、 I/O 模塊 和 LCD顯示模塊 的硬件設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊設(shè)計(jì) RS485 通信接口。 軟件設(shè)計(jì) ： 在 Real View MDK(Keil uv3)軟件的 編程 環(huán)境下， 基于 UCOS/II 實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng) 和 uC/GUI 圖形 顯示 界面，進(jìn)行任務(wù) 劃分，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序和控制程序，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)演示系統(tǒng)，采集 4 路溫度信號(hào)、 4 路壓力信號(hào)， 8 路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并在顯示模塊顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 在設(shè)計(jì)中，將控制器分成四個(gè)子模 塊，系統(tǒng)框圖如圖 21所示： C P U 主控制模塊ADC采集模塊I/O采集模塊LCD顯示模塊RS485 圖 21 系統(tǒng)的整體框圖 CPU 主控制模塊：在系統(tǒng)上電后， CPU 負(fù)責(zé)整個(gè)控制器的運(yùn)行監(jiān)控其余三個(gè)模塊是否正常工作。它定時(shí)查詢(xún)各個(gè)模塊，收集 AD 模塊、 I/O 模塊的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送給 LCD 模塊顯示。 AD模塊：采集現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)量（ 4路溫度信號(hào)、 4路壓力信號(hào)），等待 CPU 模塊的查詢(xún)命令，當(dāng) CPU 查詢(xún)命令時(shí)，將信息通過(guò) RS485 總線(xiàn)傳送給 CPU 模塊。然后繼續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)信息，等待 CPU 的下一次查詢(xún)。 I/O 模塊：采 集水箱的液位數(shù)據(jù)（ 8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)），并在 CPU 查詢(xún)命令到來(lái)時(shí)通過(guò)RS485 總線(xiàn)傳送給 CPU 模塊。 6 LCD 模塊：通過(guò) RS485 總線(xiàn)接受顯示 CPU 主控制模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行，并且根據(jù)觸摸屏的狀態(tài)命令來(lái)改變顯示內(nèi)容。 控制器實(shí)現(xiàn) 方 法 選擇 在自動(dòng)控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)方案的選擇是多種多樣的。實(shí)現(xiàn)方案的選擇恰當(dāng)與否往往會(huì)影響到控制器整體功能的實(shí)現(xiàn)，也影響到用戶(hù)使用操作是否便捷易行。 對(duì)于工業(yè)溫度、壓力等現(xiàn)場(chǎng)信息的調(diào)節(jié)，最初采用 PID 控制 ，采用整定 PID 參數(shù) 來(lái)達(dá)到控制的目的。 隨著采集的信息內(nèi)容增多，信息量增大 ，最初的 PID 控制已經(jīng) 難以 滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。 在 8/16 位 單片機(jī) （如 51 單片機(jī)、 AVR 單片機(jī)等） 出現(xiàn)之后，人們開(kāi)始用單片機(jī) 對(duì)信號(hào) 進(jìn)行 采集、顯示、算法 處理 等 全部控制 。 但是 受限于其 運(yùn)算速度和內(nèi)存容量，大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息 難以 及時(shí) 處理 。在 工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)干擾源多，干擾信號(hào)強(qiáng)，如果采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，則整套系統(tǒng)的抗干擾能力弱，一旦出現(xiàn)控制系統(tǒng)“死機(jī)”的情況，加上又沒(méi)有其它的應(yīng)急保護(hù)措施，很可能給機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響。 由于 8/16 位的 單片機(jī)速度不夠快 ， 內(nèi)存不夠大， 很 難滿(mǎn)足設(shè)備的 實(shí)時(shí)性及組 網(wǎng) 需求。 再者 近年來(lái)，一些 32 位 ARM 微控制器異軍突起，它們工作主頻高達(dá)幾百兆，且體積小、功耗低、成本低、性能高， 尤其是它 實(shí)時(shí)性好， 快速響應(yīng)和快速數(shù)據(jù)處理的能力得到了眾多商家的青睞， 逐步在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上成為主流。 所以我們?cè)O(shè)計(jì)是采用了 ARM 微處理器和 CPLD 相結(jié)合的方法，并從模塊化的思路入手，將整個(gè) 復(fù)雜的 控制器 分成幾個(gè)部分，每個(gè)部分 形成 一個(gè)單獨(dú)的子模塊，再有這些子模塊共同工作來(lái)達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的控制。 采用模塊化的設(shè)計(jì)方法 ，不僅有利于系統(tǒng)的安裝與維護(hù)，而且在軟件方面實(shí)現(xiàn)起來(lái)也會(huì)非常方便，提高了軟件的可維護(hù)性。 主控制 芯片 選擇 整體方 案一旦確定，接著就是主控制器的選擇 。 對(duì)于控制芯片的選擇方案做如下比較 : 方案 一 ：采用 51 系列單片機(jī)。 51單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程難度小，而且價(jià)格便宜，所以現(xiàn)在 很多電子產(chǎn)品使用 51系列 單片機(jī)。但是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能較多，比如驅(qū)動(dòng) LCD， AD 采集以及 RS485 通信，如果使用 51 單片機(jī) 做主控制芯片， 需要增加許多外設(shè)的資源，大 大增加 了系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 的復(fù)雜度。 本控制器不但要 驅(qū)動(dòng) LCD， 而且在采集較多 AD 數(shù)據(jù) 的情況下同時(shí)進(jìn)行 通信任務(wù)，這樣 51 單片機(jī)就會(huì)顯得力不從心 ，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。 7 方案二：采用 32 位的 S3C2410 芯片。 S3C2410 處 理器是 Samsung 公司基于 ARM 公司的 ARM920T 處理器核，采用 制造工藝的 32 位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的16KB 指令 Cache 和 16KB 數(shù)據(jù) Cache， MMU，支持 TFT 的 LCD 控制器， 3 路 UART， 4 路 DMA，4 路帶 PWM 的 Timer 等等 。 S3C2410 處理器最高可運(yùn)行在 203MHz。 雖然 S3C2410 擁有如此眾多的有點(diǎn)，但是它的功耗很大，并且價(jià)格不菲，所以本系統(tǒng)不使用這個(gè)方案。 方案三：采用 ST公司生產(chǎn)的 STM32系列單片機(jī)。 STM32系列 使用高性能的 ARM CortexM3 32位的 RISC內(nèi)核， 集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、競(jìng)爭(zhēng)性?xún)r(jià)格于一體，擁有基本型和增強(qiáng)型兩個(gè)系列。 STM32芯片不但功能強(qiáng)大，而且價(jià)格也不貴， 結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)保持了高集成度和易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，再加上豐富的外設(shè)和有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格， 所以非常適合本系統(tǒng)使用，故本系統(tǒng)的控制芯片采用 STM32芯片。 通過(guò)比較，我們選用的是 STM32增強(qiáng)型 STM32F103ZE。 通信協(xié)議的比較 本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，模塊之間采用 RS485 總線(xiàn)連接，以此來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。但 RS485 只是一種電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，必須在此之上將數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)則加以定義，才能保證數(shù)據(jù)有效高速的傳輸： 方案一：不使用任何協(xié)議，數(shù)據(jù)直接通過(guò) RS485 總線(xiàn)傳輸。這樣可以降低軟件的復(fù)雜度，但是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的多個(gè)子模塊是同時(shí)工作的，如果沒(méi)有通信協(xié)議的話(huà)，在某一時(shí)刻必然會(huì)造成數(shù)據(jù)的傳輸沖突，降低傳輸?shù)目煽啃浴? 方案二：采用 通信 協(xié)議， 通信協(xié)議有多種，如 TCP/IP（傳輸控制協(xié)議 /Inter 協(xié)議） 、 點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議 PPP（ point to point protocol） SLIP（串行線(xiàn)路互聯(lián)協(xié)議） 以及Modbus 協(xié)議 等多種。在本系統(tǒng) 中，采用的協(xié)議不能太復(fù)雜，要能達(dá)到變成難度適中，數(shù)據(jù)互傳輸實(shí)時(shí)性好，通過(guò)比較我們采用 Modbus 協(xié)議 。 Modbus 協(xié)議是應(yīng)用 在 電子控制器上的一種 常 用 協(xié)議 。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以 自由 通信。它已經(jīng)成為一 種 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設(shè)備 利用 Modbus 協(xié)議 可以連成 工業(yè)網(wǎng)絡(luò) ，進(jìn)行集中監(jiān)控。 本系統(tǒng)采用 Modbus 協(xié)議 來(lái) 保證各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)高速可靠的傳輸。 并 且 在以后的功能擴(kuò)展時(shí) 會(huì)非常簡(jiǎn)便。 8 操作系統(tǒng)比較 由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能比較多，所以在軟件方面對(duì)于功能的 整合顯得十分必要，對(duì)于軟件的實(shí)現(xiàn)方案比較如下： 方案一：不加操作系統(tǒng)。也就是把所有的程序都放在一個(gè)大循環(huán)中。這通常是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能的編程方法。這樣編程只適合 任務(wù)較少、程序較短的情況 。 并 且 多個(gè)任務(wù)不易同時(shí)進(jìn)行 。在本系統(tǒng)中，比如 AD 模塊，要進(jìn)行 8路 AD 采集，而且還得隨時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送給CPU 模塊。 這樣就 會(huì)影響 一 些 任務(wù) 的實(shí)現(xiàn) 和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸 。 方案二：使用 μClinux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 μClinux 是一種優(yōu)秀的嵌入式版本， μClinux 的內(nèi)核非常小，但是它仍然繼承了Linux 操作系統(tǒng)的主要特性，包括良好的穩(wěn)定性和移植性、 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)