隨著信息技術的發(fā)展，智能化、信息化、網絡化成為現(xiàn)代工業(yè)控制的發(fā)展潮流。20世紀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面貌，在此基礎上通過網絡連接到分散控制和嵌入式設備的控制技術逐步發(fā)展成熟，遠程I/O就是在這種條件下發(fā)展的一類產品，可以分散配置在現(xiàn)場，連接當?shù)氐妮斎胼敵鲂盘?，實現(xiàn)要求的配置。
在工業(yè)控制領域，現(xiàn)場總線技術將控制功能徹底下放到現(xiàn)場。MODBUS是現(xiàn)場總線的國際標準之一，符合IEC物理層標準，有冗余的物理總線網絡和嚴格的控制信息傳輸機制。
實時工業(yè)現(xiàn)場開關量數(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、精簡而高效的內核，豐富的網絡性能以及對多種處理器結構的支持，使其在嵌入式工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用，而實時處理工業(yè)現(xiàn)場開關量數(shù)據(jù)是工業(yè)控制領域的主要應用之一。
本文“基于現(xiàn)場總線的開關量I/O模塊的設計”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)場總線的開關量I/O模塊，此模塊連接了MODBUS現(xiàn)場總線和傳統(tǒng)的開關量控制設備。首先簡要介紹了系統(tǒng)總體方案設計，在此基礎上，把系統(tǒng)設計分為硬件設計和軟件設計兩大部分。
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等接口的設計，對開關量輸入輸出電路進行了深入分析，可同時進行16路開關量的輸出和采集，并對硬件做了相關的調試。
系統(tǒng)軟件分為上位機和下位機兩部分：上位機以WindowsXP為開發(fā)平臺，采用VC++軟件設計界面，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，首先構建嵌入式Linux，主要包括bootloader、內核的編譯與移植以及嵌入式Linux下文件系統(tǒng)的構建。接著對MODBUS協(xié)議的移植和字符設備驅動程序(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合的控制體系。進入90年代，隨著計算機技術及計算機網絡技術的飛速發(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，并能帶來巨大的經濟效益。根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在制造或生產過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內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有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。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的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場儀表，是FCS的硬件支撐;FCS的本質是信息處理現(xiàn)場化，這是FCS的系統(tǒng)效能體現(xiàn)。
FCS與DCS的本質差異在于現(xiàn)場級設備的數(shù)字化、網絡化，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)省電纜及相關的材料和安裝費用。
●FCS使用數(shù)字通信，傳輸數(shù)據(jù)更準確，信息量更大。
●DCS就像PC機，設備越多，性能越差，F(xiàn)CS就像PC機構成的網絡，總線上的設備越多，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。
但是在生產力發(fā)展到一定階段之前，并不是先進的技術就一定要完全取代落后的技術。不同層次的技術有它應用的領域，可以允許FCS ，DCS ，PLC等技術共同存在，一些場合并不一定非要先進的技術。只要其能在特定的地方發(fā)揮相應的功能就行。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)場總線的開關量I/O模塊并不是一個過渡產品，在現(xiàn)場總線技術深入到儀表之后，開關量I/0模塊還可在適當?shù)牡胤绞褂谩?/p>
1.2研究背景
技術的發(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。
從生產現(xiàn)場實際情況來講，生產現(xiàn)場有許多需要開關量控制和開關量顯示的設備。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、壓力開關、逆止門電磁鐵指令和電磁鐵狀態(tài)反饋等。而現(xiàn)場總線設備可能暫時還沒有相應產品，或者客戶有傳統(tǒng)設備的庫存，這就需要將己有的設備集成到FCS.
另外，從成本考慮，現(xiàn)有的FCS設備成本大大高于常規(guī)儀表。有些設備的控制并不一定需要FCS設備，這樣就要用常規(guī)設備實現(xiàn)控制功能。這就需要把常規(guī)設備集成到FCS中來。因此采用開關量I/O裝置就成為一個很好的選擇。
本文要設計的現(xiàn)場總線的開關量I/O模塊是完成MODBUS現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)開關量設備互連的控制裝置。尤其適合將傳統(tǒng)工業(yè)的控制系統(tǒng)與FCS控制系統(tǒng)結合，在所有現(xiàn)場設備未全部與現(xiàn)場總線融合之前，對企業(yè)原有設備與現(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，有了市場和技術的巨大需求開發(fā)基于MODBUS的開關量I/O模塊成為必然。
1.3研究路線及內容結構
現(xiàn)場總線技術的研究，是目前工業(yè)控制領域的重要前沿，是當前國內外都非常熱門的研究方向。針對這種情況，本論文從現(xiàn)場總線上一個開關量輸入輸出模塊的設計著手，對其進行設計與實踐，并對MODBUS現(xiàn)場總線技術做了初步的接觸。
MODBUS的開關量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的開關量輸入、開關量輸出的模塊。
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內容結構
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用領域，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安排。
第二章MODBUS現(xiàn)場總線技術綜述：簡單介紹了MODBUS現(xiàn)場總線的特點，詳細闡述了MODBUS現(xiàn)場總線的通信原理。
第三章總體方案設計：重點闡述了系統(tǒng)硬件和軟件的設計方案。
第四章開關量I/O模塊硬件結構設計：采用ARM S3C2440作為系統(tǒng)微處理器，設計了存儲電路、電源電路、RJ45網口，JTAG接口、鍵盤模塊、輸入輸出模塊、RS485接口、復位電路、時鐘電路，完成系統(tǒng)硬件設計。
第五章操作系統(tǒng)移植與驅動開發(fā)：完成了嵌入式Linux操作系統(tǒng)的構建，移植了MODBUS總線協(xié)議，實現(xiàn)了字符設備驅動程序。
第六章開關量I/O模塊軟件結構設計：分上位機和下位機兩部分，介紹了基于MODBUS的串口編程，完成應用程序的開發(fā)。
第七章結論：總結了本文的工作，指出了進一步研究的重點。
1.4關鍵技術分析
1.4.1現(xiàn)場總線技術現(xiàn)場總線的概念是隨著微電子技術的發(fā)展，數(shù)字通信網絡延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能后，于1984年左右提出的?，F(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數(shù)字化網絡技術?，F(xiàn)場總線類型主要有：FF、ProfiBus、ControlNet、P-NET、InterBus、CAN和Modbus等。這些總線各有各的規(guī)范，
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