【正文】 圖 1022 8通道熱電阻輸入板卡硬件組成框圖 ? 該板卡采用 ST公司的 32位 ARM控制器 STM32F103VBT高精度 24位 ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1213 、 LinCMOS工藝的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器 TLC2652CN、 PhotoMOS繼電器 AQW21 CAN收發(fā)器 TJA1051T/3等器件設(shè)計(jì)而成。 ? 2． 8通道熱電阻輸入板卡的硬件組成 ? 8通道熱電阻輸入板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)熱電阻信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖 1022所示。 ? 通過外部配電板可允許接入各種熱電偶信號(hào)和毫伏電壓信號(hào)。 8通道熱電阻輸入板卡（ 8RTD）的設(shè)計(jì) ? 8通道熱電阻輸入板卡是一種高精度、智能型的、帶有模擬量信號(hào)調(diào)理的 8路熱電阻信號(hào)采集卡。 ? 現(xiàn)場(chǎng)儀表層的熱電偶和毫伏信號(hào)經(jīng)過端子板的低通濾波處理，由多路模擬開關(guān)選通一個(gè)通道送入 A/D轉(zhuǎn)換器ADS1213，由 ARM讀取 AD轉(zhuǎn)換結(jié)果， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過軟件濾波和量程變換以后經(jīng) CAN總線發(fā)送給控制卡。 ? 硬件電路主要由 ARM Cortex M3微控制器、信號(hào)處理電路（濾波、放大）、通道選擇電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、斷偶檢測(cè)電路、熱電偶冷端補(bǔ)償電路、 DIP開關(guān)、鐵電存儲(chǔ)器FRAM、 LED狀態(tài)指示燈和 CAN通信接口電路組成。該板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下： ? ⑴ 熱電偶板卡可允許 8通道熱電偶信號(hào)輸入，支持的熱電偶類型為 K、 E、 B、 S、 J、 R、 T，并帶有熱電偶冷端補(bǔ)償； ? ⑵ 采用 32位 ARM Cortex M3微控制器，提高了板卡設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性； ? ⑶ 采用高性能、高精度、內(nèi)置 PGA的具有 24位分辨率的ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號(hào)可直接接入； ? ⑷ 同時(shí)測(cè)量 8通道電壓信號(hào)或電流信號(hào)，各采樣通道之間采用 PhotoMOS繼電器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)； ? ⑸ 通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，每一通道可選擇輸入信號(hào)范圍和類型等，并將配置信息存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器中，掉電重啟時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)； ? ⑹ 板卡設(shè)計(jì)具有低通濾波、過壓保護(hù)及熱電偶斷線檢測(cè)功能， ARM與現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)測(cè)量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。該板卡可對(duì) 7種毫伏級(jí)熱電偶信號(hào)進(jìn)行采集，檢測(cè)溫度最低為 200℃ ，最高可達(dá) 1800℃ 。 ? 3． 8通道模擬量輸入板卡的程序設(shè)計(jì) ? 8通道模擬量輸入板卡的程序主要包括 ARM控制器的初始化程序、 A/D采樣程序、數(shù)字濾波程序、量程變換程序、故障檢測(cè)程序、 CAN通信程序、 WDT程序等。 ? 板卡故障檢測(cè)中的一個(gè)重要的工作就是斷線檢測(cè)。 圖 1018 8通道模擬量輸入板卡硬件組成框圖 ? 該板卡采用 ST公司的 32位 ARM控制器 STM32F103VBT高精度 24位 ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1213 、 LinCMOS工藝的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器 TLC2652CN、 PhotoMOS繼電器 AQW214EH、 CAN收發(fā)器 TJA1051T/3等器件設(shè)計(jì)而成。 ? 2． 8通道模擬量輸入板卡的硬件組成 ? 8通道模擬量輸入板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖 1018所示。 ? 通過外部配電板可允許接入各種輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)的儀表、傳感器等。 8通道模擬量輸入板卡（ 8AI）的設(shè)計(jì) ? 1． 8通道模擬量輸入板卡的功能概述 ? 8通道模擬量輸入板卡（ 8AI）是 8路點(diǎn)點(diǎn)隔離的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流輸入板卡。 ? 經(jīng)過數(shù)次運(yùn)算后的功能模塊的信息與剛解析完成時(shí)的功能模塊的信息是不一樣的，主要是模塊運(yùn)算結(jié)果不再是 0。以回路頭指針為例，在本系統(tǒng)中控制算法以回路的形式表示，而且回路就是串接著各個(gè)功能模塊的鏈表。在程序再次運(yùn)行時(shí)，再次加載控制算法就是將備份區(qū)中的信息恢復(fù)到內(nèi)存池中和回路頭指針中。這些信息包括內(nèi)存池使用情況信息和回路頭指針信息。要使控制算法信息能夠得到有效恢復(fù)，必須提供能夠重建之前控制算法運(yùn)行環(huán)境的信息。 ? 其實(shí)，存儲(chǔ)只是一種手段，恢復(fù)才是最終目的。C/OSII內(nèi)存初始規(guī)劃階段，就必須確定內(nèi)存池的個(gè)數(shù)，嚴(yán)格限定每個(gè)內(nèi)存池的起始地址與大小，以及內(nèi)部?jī)?nèi)存塊的大小和個(gè)數(shù)，并且不得更改。因?yàn)椋坏┥鲜鲂畔l(fā)生了變化，之前存儲(chǔ)的信息也就失去了意義。而且要使存儲(chǔ)的信息有效，還要保證 181。C/OSII內(nèi)存管理模塊的信息得到有效存儲(chǔ)，涉及整個(gè) 181。C/OSII內(nèi)存管理模塊的相關(guān)信息也必須得到存儲(chǔ)。C/OSII的內(nèi)存管理模塊進(jìn)行內(nèi)存塊的申請(qǐng)或交還操作時(shí)，就會(huì)對(duì)原有的內(nèi)存塊造成破壞。C/OSII的內(nèi)存管理模塊進(jìn)行分配與回收，如果 181。 ? 除了保證存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)保存功能外，還要保證數(shù)據(jù)不會(huì)被破壞。這要求控制算法運(yùn)行信息存放的介質(zhì)兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，即掉電數(shù)據(jù)不丟失。如果再將控制算法信息分為存儲(chǔ)信息與運(yùn)行信息，會(huì)造成一定的重復(fù)，產(chǎn)生雙倍的 RAM需求。而且，以此種形式存儲(chǔ)的控制算法，在再次加載時(shí)不需要重新解析。 ? 以解析后控制回路的形式進(jìn)行控制算法的存儲(chǔ)，不存在信息激增和信息量無上限的情況，因?yàn)閷?duì)回路的修改操作只是對(duì)已有回路的修改，并不會(huì)產(chǎn)生新的回路。而且，以原始形態(tài)存儲(chǔ)控制算法，在重新加載時(shí)需要對(duì)控制算法重新解析，這也需要一定的時(shí)間。 ? 對(duì)于控制算法的存儲(chǔ)，如果以控制算法的原始形態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，即以控制算法信息解析之前的形態(tài)存儲(chǔ)，控制卡需要在接收到上位機(jī)的控制算法信息后逐條存儲(chǔ)。如果檢查到回路頭指針為空，則表明該回路已經(jīng)不存在，繼續(xù)檢查下一回路，直至完成對(duì) 255個(gè)控制回路的檢查和執(zhí)行?？刂扑惴ǖ倪\(yùn)算即依次執(zhí)行各個(gè)回路，通過對(duì)回路頭指針的檢查，判斷該回路是否存在，如果存在則按照回路解析時(shí)創(chuàng)建的鏈表，依次找到該回路中的功能模塊，并按照功能模塊中的模塊功能號(hào)找到對(duì)應(yīng)的功能函數(shù)，通過調(diào)用功能函數(shù)對(duì)該功能模塊進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果暫存到模塊的 Result中，以便后續(xù)模塊對(duì)該結(jié)果的訪問。在執(zhí)行控制算法運(yùn)算時(shí)，會(huì)根據(jù)此功能號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的功能函數(shù)對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行運(yùn)算處理。 // 輸入模塊類型 } F B _MO D _I N 。 // 輸入上限 F P 64 L ow er L m i t 。 // 卡槽號(hào) I N T8 U C han nel N um 。 // 模塊流水號(hào) // 輸入模塊特有部分 I N T8 U C age N um 。 // 指向所屬內(nèi)存池的指針 I N T8 U F unc I D 。 // 模塊運(yùn)算結(jié)果 st r uct ST _M O D * pN ext 。本系統(tǒng)中共有 32個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊的結(jié)構(gòu)體由功能模塊共有部分和功能模塊特有部分組成。C/OSII的內(nèi)存池，最后將回路頭指針清空，標(biāo)示該回路不再存在。 圖 1017 一個(gè)新建回路的解析過程 ? 對(duì)回路的修改過程與新建過程類似，只是沒有申請(qǐng)新的內(nèi)存塊，而是找到原先的內(nèi)存塊，然后用功能模塊的參數(shù)重新初始化該內(nèi)存塊。C/OSII的內(nèi)存管理模塊負(fù)責(zé)，需要時(shí)就向相應(yīng)的內(nèi)存池申請(qǐng)內(nèi)存塊，釋放時(shí)就將內(nèi)存塊交還給所屬的內(nèi)存池。理解了這兩個(gè)操作的實(shí)現(xiàn)機(jī)制就理解了控制算法的解析過程?？刂瓶ㄔ诮邮盏皆摽刂扑惴ㄐ畔⒑蟊銓⑵浞湃刖彌_區(qū)，等待本周期的控制算法運(yùn)行結(jié)束后就可以對(duì)該控制算法進(jìn)行解析。 ? 上位機(jī)下發(fā)給控制卡的控制算法包含控制算法的操作信息、回路信息和回路中各功能模塊信息。上位機(jī)在將控制算法整理成傳輸給控制卡的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)按照回路號(hào)由小到大，流水號(hào)由小到大的順序依次整理，而且是以回路為單位逐個(gè)回路整理。 ? 圖 1016中功能模塊下方的標(biāo)號(hào)標(biāo)示了該模塊所在的回路，及該模塊在回路中的流水號(hào)。 圖 1016 功能框圖組態(tài)環(huán)境下一個(gè)基本 PID回路 ? 在圖 1016中沒有看到反饋的存在，但在實(shí)際應(yīng)用中該反饋是存在的。其中功能模塊包括基本的算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）、數(shù)學(xué)運(yùn)算（指數(shù)運(yùn)算、開方運(yùn)算、三角函數(shù)等）、邏輯運(yùn)算（邏輯與、或、非等）和先進(jìn)的控制運(yùn)算（ PID等）等。在基于功能框圖的算法組態(tài)環(huán)境下，一個(gè)回路又由多個(gè)模塊組成。本系統(tǒng)中將控制算法的解析操作放在本周期的控制算法運(yùn)算結(jié)束后執(zhí)行，這樣不會(huì)對(duì)本周期內(nèi)的控制算法運(yùn)行產(chǎn)生影響，新的控制算法將在下一周期得到執(zhí)行。因?yàn)閷?duì)控制算法的修改操作需要做到在線執(zhí)行，并且不能影響正在執(zhí)行的控制算法的運(yùn)行?？刂扑惴ǖ倪\(yùn)行實(shí)行先集中運(yùn)算再集中輸出的方式，在運(yùn)算過程中對(duì)運(yùn)算結(jié)果暫存，在完成所有的運(yùn)算后對(duì)需要執(zhí)行的輸出操作集中輸出。 ? 控制算法由上位機(jī)經(jīng)過以太網(wǎng)通信傳輸?shù)娇刂瓶?，?jīng)控制卡解析后，以 1s的固定周期運(yùn)行。從控制卡死機(jī)重啟后，在進(jìn)行同步信息的傳輸時(shí)，主控制卡作為客戶端主動(dòng)向作為服務(wù)器的從控制卡傳輸同步信息。主控制卡以太網(wǎng)程序功能如表 108所示?？刂瓶ㄅc上位機(jī)間的通信采用 TCP協(xié)議，并且正常情況下，控制卡作為服務(wù)器，接受上位機(jī)的訪問，或回送上位機(jī)的數(shù)據(jù)索要請(qǐng)求，或處理上位機(jī)傳送的輸出控制命令和控制算法信息；在控制卡或測(cè)控板卡或通信線出現(xiàn)故障時(shí)，控制卡作為客戶端，主動(dòng)連接上位機(jī)的服務(wù)器，并向上位機(jī)報(bào)告故障情況。啟用某一端口前需要對(duì)該端口做相應(yīng)設(shè)置，包括端口上使用的協(xié)議類型、端口號(hào)等。 ? 在完成了 W5100的初始化操作之后，即可以開始基于W5100的以太網(wǎng)應(yīng)用程序的開發(fā)。 W5100還在內(nèi)部集成了 16KB的存儲(chǔ)器作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的緩沖區(qū)。 uIP與系統(tǒng)底層硬件驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序的關(guān)系如圖 1015所示。在設(shè)計(jì)上， uIP簡(jiǎn)化了通信流程，裁剪掉了 TCP/IP中不常用的功能，僅保留了網(wǎng)絡(luò)通信中必須使用的基本協(xié)議，包括 IP、 ARP、 ICMP、 TCP、 UDP，以保證其代碼具有良好的通用性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 ? ⑴ 第一路以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)及嵌入式 TCP/IP協(xié)議棧 uIP ? 第一路以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)，采用了一個(gè)小型的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧 uIP，用于網(wǎng)絡(luò)事件的處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。第一路以太網(wǎng)在硬件上采用 STM32F407ZG內(nèi)部的 MAC與外部 PHY構(gòu)建，在程序設(shè)計(jì)上采用了一個(gè)小型的嵌入式 TCP/IP協(xié)議棧 uIP。 ? 在控制卡中，以太網(wǎng)通信已經(jīng)構(gòu)成雙以太網(wǎng)的平行冗余通信網(wǎng)絡(luò)，兩路以太網(wǎng)處于平行工作狀態(tài)，相互獨(dú)立。在控制卡的設(shè)計(jì)中，在常規(guī)的通信過程中，控制卡作為服務(wù)器，上位機(jī)作為客戶端主動(dòng)連接控制卡進(jìn)行通信。在測(cè)控板卡或從控制卡故障的情況下，主控制卡通過以太網(wǎng)主動(dòng)連接上位機(jī)的服務(wù)器，向上位機(jī)報(bào)告故障情況。它們分別為 TaskCardUpload、 TaskPIClear、 TaskAODOOut、 TaskCANReceive、 IRQ_CAN1_RX、IRQ_CAN2_RX。C/OSII的軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用程序?qū)⒁匀蝿?wù)的形式體現(xiàn)。從而消除了通信線斷線造成的影響，提高了通信的可靠性。但兩個(gè) CAN收發(fā)器組建的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)可以在通信線斷線情況下保持與斷線處后方測(cè)控板卡的通信。 表 107 CAN通信數(shù)據(jù)包的分幀情況 區(qū)域 信息類型標(biāo)識(shí)符高 8 位標(biāo)識(shí)符低 3 位[ 0] 源節(jié)點(diǎn) ID [ 0] 源節(jié)點(diǎn) ID [ 0] 源節(jié)點(diǎn) ID[ 1] 幀序號(hào) 0 [ 1] 幀序號(hào) 1 [ 1] 幀序號(hào) 2[ 2] 保留字節(jié) [ 2] 附加數(shù)據(jù) 4 [ 2] 附加數(shù)據(jù) 10[ 3] 數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù) [ 3] 附加數(shù)據(jù) 5 [ 3] [ 4] 命令碼 [ 4] 附加數(shù)據(jù) 6 [ 4] [ 5] 附加數(shù)據(jù) 1 [ 5] 附加數(shù)據(jù) 7 [ 5] [ 6] 附加數(shù)據(jù) 2 [ 6] 附加數(shù)據(jù) 8 [ 6] [ 7] 附加數(shù)據(jù) 3 [ 7] 附加數(shù)據(jù) 9 [ 7] 1 0數(shù)據(jù)場(chǎng)幀頭信息發(fā)送數(shù)據(jù)第 1 幀 第 2 幀 第 3 幀標(biāo)識(shí)符目的節(jié)點(diǎn) ID 目的節(jié)點(diǎn) ID 目的節(jié)點(diǎn) ID1 ? 在組建具體的 CAN數(shù)據(jù)幀時(shí)，除了上述標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)場(chǎng)外，還要對(duì) RTR（幀類型）、 IDE（標(biāo)識(shí)符類型）和 DLC（數(shù)據(jù)場(chǎng)中的字節(jié)數(shù)）做好填充。 CAN通信數(shù)據(jù)包的分幀情況如表107所示。其中，幀序號(hào)用于計(jì)算信息在命令中的存放位置，幀標(biāo)志用于標(biāo)志此幀是否是多幀命令中的最后一幀。為了對(duì)命令進(jìn)行統(tǒng)一處理，在程序中將所有的命令按多幀情況進(jìn)行發(fā)送，只不過對(duì)于只需一幀就可以發(fā)送完的命令，我們將其第一幀標(biāo)注為最后一幀即可。當(dāng)命令攜帶的附加數(shù)據(jù)較多，超出一個(gè) CAN數(shù)據(jù)幀所能容納的范圍時(shí)，就需要將命令分為多幀進(jìn)行發(fā)送?？刂瓶?CAN通信數(shù)據(jù)包格式如表 106所示。在接收端也要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，將多個(gè) CAN數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)提取出來并重新組合為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，以恢復(fù)數(shù)據(jù)包的原有形式。 ? ⑵ CAN數(shù)據(jù)的打包與解包 ? 每個(gè) CAN數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場(chǎng)最多容納 8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而在控制卡的 CAN通信過程中，有些命令的長(zhǎng)度遠(yuǎn)不止 8個(gè)字節(jié)。因此，列表模式適用于特定某一報(bào)文的接收，而屏蔽位模式適用于標(biāo)識(shí)符在一段范圍內(nèi)的一組報(bào)文的接收。在列表模式下，只有 CAN報(bào)文中的標(biāo)識(shí)符與過濾器設(shè)定的標(biāo)識(shí)符完全匹配時(shí)報(bào)文才會(huì)被接收。通過使用 STM32F407Z