基于ARM9的通用控制器软件设计
摘要
随着控制技术和计算机科学的快速发展,工业控制器和工业控制软件呈现出了智能化、信息化、通用性和开放性的发展趋势。传统的控制器软件或存在着灵活性差、开发周期长、功能单一等缺点,或成本较高、难以普及;针对目前流行的ARM处理器和控制器PC化的发展趋势,本文提出并设计了一种可组态、多算法、网络化、灵活度高的底层控制器软件,以适应不同的场合与应用。该软件基于ARM9处理器和嵌入式Linux操作系统,将前者的高性能和后者提供的网络通讯、进程调度等功能充分发挥了出来。
该控制器软件基于一种纵向分层和横向分块的正交化软件结构,分设备抽象层、嵌入式操作系统层和应用程序层,不少模块具备了继承性和可重用性特征,为程序的后续开发和升级扩展提供了方便。该软件可以灵活地组态并使用控制器上的AD/DA模拟量通道、I/O输入输出点等硬件资源,提供了常见的几种算法供人选择和配置参数,提供了一种基于公式的I/O点组态机制,同时还可以将底层的运行状态通过Modbus/TCP协议发送到上位机以便监控之用,实现了控制器的通用性、信息化和易用性。
为了实现该控制器软件,本人主要做了以下方面的工作:提出了分层分块的控制器软件结构,开发了控制器在Linux下需要的设备驱动程序,修改了Linux操作系统,开发了主控制程序以及各个功能模块,提出了一种基于公式的数字量组态的处理方法,提出了算法加入的接口和准则,并对驱动程序和应用程序的正确性和可用性进行了测试。
With the rapid development of control technologies and computer science, industrial controllers and their software are becoming more and more intelligentized, all-purpose and open. Traditional controller software has its certain shortage such as lack of flexibility, long developing circle, low adaptability, or in other ways it is too expensive to be fully prevailing in industrial fields. Based on popular ARM9 microprocessors and Linux operating systems, we have presented and developed a kind of new-type, configurable, multi-algorithm, networked and flexible controller software, which could make full use of ARM9 processors’high performance, as well as the functions provided by Linux operating systems.
In the dissertation, the controller software is developed following a structure of multi-layer plus multi-module. In this way, some of the modules could be reused in other program developments or in the updated edition of similar controller software. This software program could freely use any of the AD/DA channels, I/O ports, I/O mapping formulas, control algorithms as well as its parameters upon users’input information. Besides, this program could also transmit the controller’s running status to an upper-level PC by Modbus/TCP protocol for monitoring.
In this dissertation, a kind of controller software structure of multi-layer plus multi-module is proposed; the Linux device drivers for the controller are developed and tested; certain necessary changes to Linux system is made; all the function modules for the main program are developed; a formula-based method is provided to handle any kind of DI/DO mappings; a method to append new algorithms is proposed. And finally all these above have been tested.
该控制器软件基于一种纵向分层和横向分块的正交化软件结构,分设备抽象层、嵌入式操作系统层和应用程序层,不少模块具备了继承性和可重用性特征,为程序的后续开发和升级扩展提供了方便。该软件可以灵活地组态并使用控制器上的AD/DA模拟量通道、I/O输入输出点等硬件资源,提供了常见的几种算法供人选择和配置参数,提供了一种基于公式的I/O点组态机制,同时还可以将底层的运行状态通过Modbus/TCP协议发送到上位机以便监控之用,实现了控制器的通用性、信息化和易用性。
为了实现该控制器软件,本人主要做了以下方面的工作:提出了分层分块的控制器软件结构,开发了控制器在Linux下需要的设备驱动程序,修改了Linux操作系统,开发了主控制程序以及各个功能模块,提出了一种基于公式的数字量组态的处理方法,提出了算法加入的接口和准则,并对驱动程序和应用程序的正确性和可用性进行了测试。
With the rapid development of control technologies and computer science, industrial controllers and their software are becoming more and more intelligentized, all-purpose and open. Traditional controller software has its certain shortage such as lack of flexibility, long developing circle, low adaptability, or in other ways it is too expensive to be fully prevailing in industrial fields. Based on popular ARM9 microprocessors and Linux operating systems, we have presented and developed a kind of new-type, configurable, multi-algorithm, networked and flexible controller software, which could make full use of ARM9 processors’high performance, as well as the functions provided by Linux operating systems.
In the dissertation, the controller software is developed following a structure of multi-layer plus multi-module. In this way, some of the modules could be reused in other program developments or in the updated edition of similar controller software. This software program could freely use any of the AD/DA channels, I/O ports, I/O mapping formulas, control algorithms as well as its parameters upon users’input information. Besides, this program could also transmit the controller’s running status to an upper-level PC by Modbus/TCP protocol for monitoring.
In this dissertation, a kind of controller software structure of multi-layer plus multi-module is proposed; the Linux device drivers for the controller are developed and tested; certain necessary changes to Linux system is made; all the function modules for the main program are developed; a formula-based method is provided to handle any kind of DI/DO mappings; a method to append new algorithms is proposed. And finally all these above have been tested.
引文
[1]李建华,我国工业控制自动化技术的发展趋势,数字化工,2005(7):25
[2]郗志刚,周宏甫,运动控制器的发展与现状,电气传动自动化,2005,27(3),11~12
[3]李佩谦,PC-Based 控制器软件技术发展趋势,现代制造,2003(29):58~62
[4]胡涛,苏建良,石剑锋,PLC 技术与应用及其发展分析,机床与液压,2005(12):135~137
[5]赵铁峰,王凯,王为民等,基于 ARM 微处理器的智能控制器,化工自动化及仪表,2005,32(1):77~78
[6]孟菊王,金海赵,雷新等,基于 ARM 和 DSP 的嵌入式智能仪器系统设计,微计算机信息,2006,22(6-2):198~200
[7]金燕,基于 ARM 的低压配电在线监测控制器的设计,仪器仪表学报,2005,26(8):220~222
[8]李驹光,聂雪媛,江泽明等,ARM 应用系统开发详解——基于 S3C4510B 的系统设计,北京:清华大学出版社,2003,20~199
[9]任昌荣,孙常宏,尹斌,一种小型组态软件平台的开发与应用,计算机时代,2005(8):29~31
[10]郭巍,赵英,曲延涛,组态软件关键技术研究,电测与仪表,2006,43(3):49~50
[11]尹斌,小型组态软件平台的开发:[硕士学位论文],大连;大连理工大学,2004
[12]濮霞,白冬梅,吕丽霞,基于嵌入式技术的热工控制器运行组态研究,仪器仪表用户,2005,12(5):14~16
[13]王兆义, 可编程序控制器的编程软件, 电世界,2005,46(3):1~2
[14]高鸿斌,孔美静,赫孟合,西门子 PLC 与工业控制网络应用,北京:电子工业出版社,2006,166~183
[15]Atmel Corporation, AT91RM9200 Datasheet, 2005
[16]ARM Limited, ARM920T Technical Reference Manual(Rev 1), 2001
[17]宋延昭,嵌入式操作系统介绍及选型原则,工业控制计算机, 2005,18(7):41~43
[18]周红波,基于嵌入式操作系统的开发方法,微计算机信息,2006(7):55~57
[19]迎九,嵌入式操作系统的新动向,电子产品世界,2006(8):46~50
[20]徐德民,操作系统原理 Linux 篇,北京: 国防工业出版社,2004,10~90
[21]王成,刘金刚,基于 Linux 的嵌入式操作系统的研究现状及发展展望,微型机与应用,2004,23(5):4~6
[22]贾红伟,叶文来,嵌入式操作系统与嵌入式 Linux,吉林师范大学学报,2005,26(3):97~99
[23]许荣,基于 AT91RM9200 的嵌入式 Linux 系统移植,电子技术(上海),2006。33(3):64~68
[24]康涌泉,桑楠,邹楚雄,邓竹莎,嵌入式 Linux 交叉开发环境,计算机应用,2006,26(6):261~263
[25]王志颖,马卫东,基于软件结构分析方法的测控软件设计,测控技术,2001,20(10):51~54
[26]崔树林,嵌入式系统通用的应用软件结构研究,单片机与嵌入式系统应用,2003(8):9~10
[27]周毓明,徐宝文,软件结构改善技术,计算机科学,2000(10):19~20
[28]李永禄,谷双春,几种软件体系结构的比较,无线电通信技术,2003,29(5):43~44
[29]黄儿松,朱隆尹,几种软件体系结构的比较研究,科技广场,2006(1):126~128
[30]郭茂,孙莉莉,郑国勤,嵌入式系统中设备抽象层的设计,自动化仪表,2005,26(9):21~22
[31]Alessandro Rubini, Jonathan Corbet, Linux Device Driver(s2nd Edition), Canada: O'Reilly & Associates, Inc., 2001, 1~129
[32]郏东耀,杨雷,丁天怀,数字滤波抗干扰技术在 A/D 转换中的应用,半导体技术,2003,28(8):52~53
[33]于海生,微型计算机控制技术,北京: 清华大学出版社,1999,80~120
[34]刘金琨,智能控制,北京:电子工业出版社,2005,176~190
[35]黄坤,李洪儒,采用 RBF 神经网络的状态监测数据趋势预测,兵工自动化,2006,25(8):65~66
[36]徐中,叶希贵,基于 RBF 神经网络的水处理系统建模与仿真,计算机应用,2006,26(6):132~134
[37]杜华英,赵跃龙,人工神经网络典型模型的比较研究,计算机技术与发展,2006,16(5):97~99
[38]林用满,张永相,严寒冰等,RBF 神经网络算法在汽油机空燃比控制中的比较,四川工业学院学报,2004,23(3):13~16
[39]智会强,牛坤,田亮等,BP 网络和 RBF 网络在函数逼近领域内的比较研究,科技通报,2005,21(2):193~197
[40]黄军辉,傅沈文,模糊控制理论的发展及应用,中国科技信息,2006(12):303~304
[41]王胜千,李宝华,模糊控制技术原理与发展,仪器仪表用户,2005,12(1):4~5
[42]陈晓冬,陈黄骞,基于模糊控制的油轮锅炉燃烧控制系统,科技资讯,2006(8):35~35
[43]刘金琨,智能控制,北京:电子工业出版社,2005,36~85
[44]司马莉萍,贺贵明,陈明榜,基于 Modbus/TCP 协议的工业控制通信,计算机应用,2005,25(12):29~31
[45]金青,戴胜华,欧阳劲松,基于 Modbus/TCP 的工业以太网通信,仪器仪表标准化与计量,2006(1):22~23
[46]曹怀虎,余镇危,王磊等,以太网 DCS 中基于 MODBUS/TCP 协议通信的设计与实现,计算机工程与设计,2004,25(2):314~317
[47]乔新晓,贾智平,基于 Modbus/TCP 的自动化监控系统,计算机工程,2004,30(8):181~182
[48]李宝仁,周磊,周洪,基于 Modbus/TCP 协议通信节点的实现,机床与液压,2004(12):153~155
[49]周瀚,左为恒,周健,嵌入式 MODBUS/TCP 网关及其在空调控制系统中的应用,测控技术,2006,25(7):47~49
[50]胡寿松,自动控制原理,北京:科学出版社,2000,50~90
[51]杜旭,魏志斌,自控系统设计中 PLC 的选择,科技资讯,2006(24):57~57
[52]闫卉,张光,闫磊,PLC 可编程逻辑器件的选择方法,国外电子元器件,2003(12):29~32
[53]智爱娟,如何选择可编程序控制器 PLC,机床与液压,2005(6):200~201
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