基于MODBUS总线的嵌入式工业测控系统的研究
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摘要
随着现代科技的发展，生产自动化程度的不断提高，基于PC的工控机和单片机已经越来越不能满足应用对象的需求。嵌入式微处理器以其强大的功能，更加快的处理速度，逐渐成为嵌入式系统设计的主流。再加上一个运行于嵌入式微处理器上的操作系统，就使其如虎添翼，在社会各个层面各个领域，扮演着重要角色。
本文以工业锅炉嵌入式系统为背景，设计开发一套通用的测控系统。课题首先介绍了嵌入式技术。对嵌入式微处理器，特别是ARM各系列微处理器进行了介绍和对比，同时，详细介绍了本设计所选用的ARM9系列AT91RM9200芯片。选择Linux操作系统作为系统的软件平台。
其次，本文介绍了嵌入式工业测控系统硬件的设计。系统以基于AT91RM9200处理器最小系统为核心，集成LCD、触摸屏、语音报警、工业以太网、RS—485、A／D、D／A、USB接口、I／O口扩展等模块的硬件电路。
最后，详细阐述了此测控系统的远程通信。测控系统为下位机，控制中心以一台PC机为上位机。在软件上，采用MODBUS作为通信协议，它具有简单易实现的优点。在硬件上，根据控制对象的特点和现有条件，采用RS—485总线，它适合于远距离传输。此外，下位机以Linux系统为软件平台，使用C语言进行程序设计；上位机的操作系统为WindowsXP，利用VC++的MSComm控件进行MODBUS协议的串口的程序设计。
本课题采用嵌入式技术，实现对工业锅炉及类锅炉系统的控制，其控制的参数有温度、压力、水位和火力等。此外系统还具有LCD显示、触摸屏人机交互、自动报警、通信、采集大量输入信号和输出大量控制信号等功能，具有实时性、稳定性、安全性、可靠性、通用性和可拓展性等特点。
With the development of modern science and technology and the unceasingenhancement of production automaticity, industry control computer and One-chipComputer based on PC cannot satisfy the need of object-oriented application.By theformidable function and the the faster processing speed, the embedded microprocessorgradually becomes the mainstream in the embedded system design. Moreover, there isan operating system embedded in the microprocessor, which makes the system evenmore powerful,and makes it play an important role in every field in society.
This article designs a set of embedded industry measurement and controlsystem,with the background of industrial boiler.First, the article discusses theembedded technology. The embedded microprocessors,especially the ARMseries,were introduced and compared.However,AT91RM9200,whitch is one of the chips of ARM9 series,is elaborated.
Then, the design of embedded industry measurement and control system ispresents. The system takes the smallest system of the AT91RM9200 processor whichis based on ARM9 as a core, and integrates some hardware circuit, such as, the LCD,the touching screen, the pronunciation alarm, the industry ethernet, RS-485, A/D, D/A,the USB connection,the integrated I/O expansion control module and so on.
In th end,the paper elaborates the communication of this system. The system isconsidered as the lower computer, and the upper computer is a PC of controlcenter.They select MODBUS protocol as the correspondence agreement.and theprotocol has the advantage of simplicity.In the aspect of hardware,according to thecharacter controller object and the situation,the system adopts RS-485 bus,whitchsuits long-distance communication.Besides,Linux system is the platform of the lowercomputer, and C language is used. The upper computer takes WindowsXP as theplatform,and uses MSComm controls of VC++ programming.
The article adopts embedded technology, realizes the control of industrial boilersand devices resembled boiler.It can control the parameters of temperature,pressure,water level etc.Moreover, the system has the function of LCDshow, automatic alarm,communication,collect mass input signals and output masssignals. This system has the ablity of real time,stability, secutity, credibility andexpandability.
本文以工业锅炉嵌入式系统为背景，设计开发一套通用的测控系统。课题首先介绍了嵌入式技术。对嵌入式微处理器，特别是ARM各系列微处理器进行了介绍和对比，同时，详细介绍了本设计所选用的ARM9系列AT91RM9200芯片。选择Linux操作系统作为系统的软件平台。
其次，本文介绍了嵌入式工业测控系统硬件的设计。系统以基于AT91RM9200处理器最小系统为核心，集成LCD、触摸屏、语音报警、工业以太网、RS—485、A／D、D／A、USB接口、I／O口扩展等模块的硬件电路。
最后，详细阐述了此测控系统的远程通信。测控系统为下位机，控制中心以一台PC机为上位机。在软件上，采用MODBUS作为通信协议，它具有简单易实现的优点。在硬件上，根据控制对象的特点和现有条件，采用RS—485总线，它适合于远距离传输。此外，下位机以Linux系统为软件平台，使用C语言进行程序设计；上位机的操作系统为WindowsXP，利用VC++的MSComm控件进行MODBUS协议的串口的程序设计。
本课题采用嵌入式技术，实现对工业锅炉及类锅炉系统的控制，其控制的参数有温度、压力、水位和火力等。此外系统还具有LCD显示、触摸屏人机交互、自动报警、通信、采集大量输入信号和输出大量控制信号等功能，具有实时性、稳定性、安全性、可靠性、通用性和可拓展性等特点。
With the development of modern science and technology and the unceasingenhancement of production automaticity, industry control computer and One-chipComputer based on PC cannot satisfy the need of object-oriented application.By theformidable function and the the faster processing speed, the embedded microprocessorgradually becomes the mainstream in the embedded system design. Moreover, there isan operating system embedded in the microprocessor, which makes the system evenmore powerful,and makes it play an important role in every field in society.
This article designs a set of embedded industry measurement and controlsystem,with the background of industrial boiler.First, the article discusses theembedded technology. The embedded microprocessors,especially the ARMseries,were introduced and compared.However,AT91RM9200,whitch is one of the chips of ARM9 series,is elaborated.
Then, the design of embedded industry measurement and control system ispresents. The system takes the smallest system of the AT91RM9200 processor whichis based on ARM9 as a core, and integrates some hardware circuit, such as, the LCD,the touching screen, the pronunciation alarm, the industry ethernet, RS-485, A/D, D/A,the USB connection,the integrated I/O expansion control module and so on.
In th end,the paper elaborates the communication of this system. The system isconsidered as the lower computer, and the upper computer is a PC of controlcenter.They select MODBUS protocol as the correspondence agreement.and theprotocol has the advantage of simplicity.In the aspect of hardware,according to thecharacter controller object and the situation,the system adopts RS-485 bus,whitchsuits long-distance communication.Besides,Linux system is the platform of the lowercomputer, and C language is used. The upper computer takes WindowsXP as theplatform,and uses MSComm controls of VC++ programming.
The article adopts embedded technology, realizes the control of industrial boilersand devices resembled boiler.It can control the parameters of temperature,pressure,water level etc.Moreover, the system has the function of LCDshow, automatic alarm,communication,collect mass input signals and output masssignals. This system has the ablity of real time,stability, secutity, credibility andexpandability.
引文
[1] 工业锅炉http://www.ccchina.gov.c
[2] PLC的现状与发展趋势http://hi.baidu.com/
[3] 嵌入式系统的发展http://kbs.cnki.net/
[4] 吕京建 肖海桥 嵌入式处理器分类与现状http://www.bol-system.com
[5] 嵌入式系统概述http://www.tup.tsinghua.edu.cn
[6] 周立功．ARM嵌入式系统基础教程[M]．北京航空航天大学出版社，2004
[7] 邝树华．基于ARM9的锅炉控制系统的研究[D]．广东工业大学，2006．5
[8] ARM处理器核分类http://www.armnet.cn/
[9] ARM微处理器概述(中)http://www.mcublog.com/
[10] 李驹光．ARM应用系统开发详解——基于s3c4510b的系统设计[M]．清华大学出版社，2004
[11] 朱义君 杨育红 赵凯 段志英．AT91系列ARM微控制器体系结构与开发实例[M]．北京航空航天大学出版社，2005．4
[12] ATMEL公司．AT91RM9200芯片手册．http://atmel.argussoft.ru/download/russian.pdf/at91rm9200_rus.pdf
[13] 王建忠 田力 武凌．基于ARM920T核的AT91RM9200微控制器及其在嵌入式家庭网关中的应用[J]．微计算机信息，2004(5)
[14] 微机机群油藏数值模拟并行软件http://www.rdcps.ac.cn/
[15] 邓金龙 万频 周敏 李学聪．LCD控制器S1D13506在AT91RM9200嵌入式系统中的应用[J]．微计算机信息，2006．9-2
[16] 赵芝璞 金小俊．触摸屏控制器ADS7846的原理及应用[J]．国外电子元器件，2002(5)：46—48
[17] 龚雪容 马鸣锦 蒋烈辉 杜威．用ADS786设计嵌入系统的触摸屏[J]．设计天地，2002．9：58—60
[18] 吴升艳 岳春生．ADS7843触摸屏接口[J]．国外电子元器件，2002(7)：27—29
[19] 刘力 MAS3507D和DAC3550A的应用信息技术2002(8)：39—40
[20] 潘志东 刘增华．串行A／D转换器TLC2543原理及应用[J]．电测与仪表，2001(3)：40—43
[21] 李映颖 王海军 孟祥谦．串行AD转换器TLC2543与51系列单片机的接口设计[J]．仪表技术，2004(1)：22-23
[22] 金文 孔令成．八组二线串行8位DAC芯片MAX521的性能特点及应用[J]．国外电子元器件，1998(7)：17-20
[23] 刘毓梅．I／O扩展芯片GM8166的原理与应用[J]．电子产品世界，2004(3)：63—66
[24] 汪锡建 欧健伟 王为．MODBUS规约在前置机与现场微机设备件通讯应用[J]．网络通信与防火墙2002 18(3)：53—55
[25] 龚克．MODBUS协议及其PC机实现[J]．福建电脑，2004 7：21-22
[26] 郑安平 王永华．MODBUS通信协议在低压配电监控系统中的应用[J]．郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2002 17(2)：52—55
[27] 19582．2-2004．基于MODBUS协议的工业自动化网络规范第2部分：MODBUS协议在串行链路上的实现指南[S]
[28] 龚建伟．串口调试助手源程序及编程详细过程．http://roaringwind.best.163.com
[29] 龚建伟 熊光明．Visual c++／Turbo c串口通信编程实践[M]．北京：电子工业出版社，2004．10
[30] 余晔 王仲东 黄剑．485总线在微机监控系统中的应用[J]．武汉理工大学学报2003，25(1)： 69—72
[31] http://publishblog.blogchina.com/blog/tb.b?diaryID=5661510
[32] 左锦．Linux下串口编程入门．http://www128.ibm.com.
[33] Atmel. About AT91RM9200. http://www.at91.com/,2005
[34] EPSON. SID13506 datasheet, http://www.epson.com/
[35] IDA2009. http://www.datasheet5.com/
[36] 28F128. http://data.eeworld.com.cn
[37] MAX3243. http://www.maxim-ic.com.cn
[38] 李振宇．嵌入式Linux平台下的MODBUS协议通讯控制模块的设计与实现[D]．北京航空航天大学，2004．2
[39] 宋向案 韩克敏 陈梦华．基于MCS单片机与PC机串行通信毫平转换．http://www.cqvip.com.
[40] Texas Instuments. TLC2543 Technical Documents. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlc2543-ql.html
[41] Maixm. MAX521 datasheet, http://www.21ic.com/
[42] ATMEL Corporation. AT91RM9200 Microcontroller Technical Manual, 2002
[43] 朱小襄．MODBUS通信协议及编程[J]．电子工程师，2005 31(7)：42—44
[44] 探矽工作室．嵌入式系统开发圣经(第二版)[M]．中国铁道出版社，2003．4
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