工业控制器实训报告硕士论文开题报告

工业控制器实训报告硕士论文开题报告内容摘要：

支持、标准丰富的 API，以及 TCP／ IP 网络协议等。 多任务实现方式 有 实时进程和普通进程 之分 ，分别采用先来先服务和时间片轮转调度 的方式来完成。 因为 系统中存在有许多中断的底半处理，所以会引起系统中断处理的延时。 所以其多任务的实现需要一定技巧。 方案三：使用 uC/OSII 实时操作系统。 uC/OSII 是一个源代码公开的实时嵌入式内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、简单内存管理和任务间的通信与同步等实时系统所需的基本功能。 在 uC/OS II 操作系统下，将程序按功能划分成不同的任 务，这样可以提高程序执行的效率。 而且 uC/OS II 简单易学。 通过以上比较，本系统采用 uC/OSII 为 控制器的 操作系统 9 第三章 ． 控制器的 硬件 设计 为了实现对温度、压力、流量、液位等的精确测量、显示 , 同时输出数字或位式开关控制信号 , 对被测量对象进行有效的正作用或反作用控制 , 我们利用从最底层着手，设计了模块化工业控制器。 分别从系统的硬件结构和软件设计思路做起，完成了模块化工业控制器的完整系统的设计。 主控芯片 STM32 是选用来自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 内 核的 32 位闪存微控制器。 该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。 STM32 的出现给 MCU 用户前所未有的自由空间，提供了全新的 32 位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势，再加上丰富的外设和有竞争力的价格，得到了市场上高度的认可，使得它成为众多商家的第一选择。 STM32 有两个系列增强型和基本型。 STM32F103 是增强型系列，工作在 72 MHz，带有片内 RAM 和丰富的外设。 STM32F101 是基本型系列，工作在 36 MHz。 两个系列的产品拥有相同的片内闪存选项，在软件和引脚封装方面兼容。 均可以用于显示、声音、存储和高级控制；兼有低功耗和多种省电工作模式，能够优化工业设备、物业控制设备、医疗设备和计算机外设等产品的性能。 STM32增强型 STM32F103ZE的 工作频率为 72MHz，内置高速存储器 (高达 128K字节的闪存和 20K字节的 SRAM)，丰富的增强 I/O端口和联接到两条 APB总线的外设。 所有型号的器件都包含 2个 12位的 ADC、 3个通用 16位定时器和一个 PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2个 I2C和 SPI、 3个 USART、一个 USB和一个 CAN。 STM32F103ZE 的具体内部结构如 图 31所示： 10 图 31 STM32F103ZE 内部结构图 在本次设计中，我们采用 STM32系列 32位闪存微控制器作为我们的主控制芯片，并在该 STM32F103ZET7开发板移植加入嵌入式实时操作系统进行模块控制器的设计。 供电电源模块 日常生活供电电压一般为 220V 或者更高，但是 本系统 的 USB 接口供电电压为 5V，选 用 的 主芯片 STM32 工作电压在 ， 所以在设计中， 需 要设计 电源 转化电路，由于外界提供的电 压可能不稳定， 也 可能含有低频、高频成分的 干扰成分 ，需要电容、电感对其滤除。 首先我们选取一个能产生 直流 5电压 V的开关稳压电源，然后在开发板 中 设计转化电路，将 5V 电压转化为 ,保证系统的正常工作。 我们选择 AMS1117 作为系统的稳压器 芯片， AMS1117 器件引脚上兼容其他三端 SCSI 稳压器，提供适用贴片安装的SOT223， 8 引脚 SOIC，和 TO252(DPAK)塑料封装。 在最大输出电流时， AMS1117 器件的压差保证最大不超过 ，并随负载电流的减小而逐渐降低。 因此 用来为 STM32 芯片供电 非常合适 ，具体电路如 图 32 所示： 图 32 电源转换电路图 如上图的电路设计，首先是 5V 电压源的接口电路， 先 连接转 换 开关，然后连接AMS1117 芯片，输出 电压给 STM32 芯片供电。 11 晶振电路的设计 晶振时钟电路对单片机至关重要，它相当于单片机的心脏，为 系统工作提供脉冲 时钟信号。 本系统的时钟电路如 图 33所示： 图 33 时钟电路 图 X1和 X2 分别与单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚相接，它们分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出，本设计选用的晶振频率为 8MHZ，单片机内部提供一个 PLL倍频器， 使 STM32 工作的晶振频率为 72MHZ，这样能够大大提高单片机处理数据的速度，提高仪器的快速检测能力。 JTAG 下载电路的设计 JTAG 也是一种国际标准测试协议（ 兼容），主要用于芯片内部测试。 现在多数的高级器件都支持 JTAG 协议 ,如 DSP、 FPGA、单片机器件等。 标准的 JTAG 接口是4 线： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 本 设计中 的 JTAG 调试单元电路如 图 34所示： 图 34 JTAG 接口电路 设计中相关 JTAG 引脚的定义为： TCK 为测试时钟输入； TDI 为测试数据输入，数据通过 TDI 引脚输入 JTAG 接口； TDO 为测试数据输出，数据通过 TDO 引脚从 JTAG 接口输出； TMS 为测试模式选择， TMS 用来设置 JTAG 接口处于某种特定的测试模式； TRST 为测试复位，输入引脚，低电平有效。 12 RS485接口电路 在 本系统 中， 各模块之间的通信 采用 Modbus 协议。 Modbus 协议的物理层一般都采用 RS485 半双工结构作为通信接口标准。 RS485 是串行数据接口标准 ， 由电子工业协会（ EIA） 1983 年在 RS422 基础上 制定并发布了 RS485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。 在通信距离为几十米到上千米时， RS485 收发器被广泛使用。 RS485 收发器采用平衡发送和差分接收， 能有效克服共模干扰、抑制线路噪声 ,加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 在设计中我们就采用 TI公司的 SN75LBC184作 RS485收发器 , 它是一种具有瞬变电压抑制的收发器 ,可以防止因静电放电 (ESD)对收发器造成的损坏。 它能够将单片机的逻辑电平经过光耦 6N137 隔离后转换成 485 差分信号在总线上传输。 标准 Modbus 端口是使用一个 RS485 的串行接口，定义了连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验，控制器可直接或通过调制解调器 (以后简称 Modems)接入总线 (网络 )。 RS485 接口原理图 如 图 35 所示： 图 35 RS485 接口原理图 LCD 显示模块 LCD 显示屏以其低功耗，具有字符和点阵显示功能，已广泛用于便捷式仪器，越来越多的应用到了各个领域。 很多微控制器电路芯片内集成 有 LCD 控制器，可以直接驱动LCD 显示，运算结果数据通过 CPU 处理转换后写入显示寄存器中，最后送到显示驱动单元输出。 不同的 MCU 母体来实现显示数据的产生方式各不相同。 利用 LCD 可以构建一个非常友好的人机交互界面。 本系统设计的 LCD 显示模块采用 320*240 的 ILI9320 液晶显示， ILI9320 是手机常 13 用的彩屏控制器，采用 16bit 并行总线方式，端口映射到 DSP 的 I/O 空间，彩屏具有 4个背光 LED 灯（控制端为 LED1~LED4），采用三极管 9012 链接共阳极 LEDA，是背光受控于 DSP 的 PE3 脚，若一段时 间内未触摸屏幕，控制 PE3 脚为高，是背光熄灭，降低系统功耗，彩屏与 4 线电阻式触摸屏紧贴在一起。 图 36 ILI9320 控制电路图 在控制芯片选用好后，将其分别集成与 TFT 显示屏上做成 20 管脚的集成芯片，并且和 STM32 芯片的显示端 PG 接口连接，以控制数据的显示。 本系统使用的 LCD 具有触摸功能，触摸屏控制芯片为 ADS7483,。 供电电压 ~5 V，参考电压 VREF 为 1V~+VCC，转换电压的输入范围为 0~ VREF，最高转换速率为 125 kHz。 ， ADS7843 触摸屏接口是 TI 公司生产的 4线电 阻触摸屏转换接口芯片，它 是一个内置12 位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。 在 125kHz 吞吐速率和 电压下的功耗为 750uW,而在关闭模式下的功耗仅为。 因此， ADS7843 以其低功耗和高速率等特性，被广泛应用在采用电池供电的小型设备上。 ADS7843 的引脚如图 37所示： 图 37 ADS7843 引脚图 14 触摸屏的电阻膜示意图如图 38所示： 图 38 触摸屏的电阻膜示意图 触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图 38所示。 当某一层电极加上电压时，会在该网络上形 成电压梯度。 当外力使上下两层在某一点接触，则在未加电压的另一层电极可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。 比如，在顶层的电极(X+,X－ )上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当外力使上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，可根据该电压与电极 (X+)之间的距离关系，知道该处的 X坐标。 然后，将电压切换到底层电极（ Y+,Y－）上，并在顶层测量接触点处的电压，从而得到 Y 坐标。 根据触摸点的坐标便可设置程序去完成不同的功能。 ADS7843 是一款连续近记录（ SAR）的 A/D 转换器，本实训中通 过连接触摸屏 X+将触摸信号输入到 A/D 转换器，同时打开 Y+和 Y驱动，然后数字化 X+的电压，从而得到当前 Y位置的测量结果，同理也得到 x 方向的坐标。 具体外设电路如 图 39 所示 ： 图 39 触摸屏接口的电路图 15 第 四 章．控制器的 软 件 设计 开发工具介绍 本实训软件的开发环境使用的是 Real View MDK(Keil uv4)软件， Keil 是 ARM 公司出品的单片机 c 语言软件开发环境， 同 汇编相比， c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 Keil 软件提供丰富的库函数和功能强大的 集成开发调试工具，全 Windows 界面。 另外重要的一点， Keil 编译后生成的汇编 目标代码效率非常高，多数的汇编代码 结构 很紧凑，容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 Keil 还 提供 了 AGSI 接口 以 开发仿真实验板。 通过 仿真将枯燥无味的数字用形象的图形表达出来，可以使初学者在没有硬件时就能感受到真实的学习环境，降低单片机的入门门槛。 所以本系统 以 keil 开发环境 为依托进行程序的设计。 μC/OS II 操作系统介绍 μC/OS II 是一个 是一个源代码公开的实时嵌入式内核，包含了任务调度、任务管理、 时间管理、简单内存管理和任务间的通信与同步等实时系统所需的基本功能。 没有提供输入输出管理、文件系统和网络之类的额外服务。 基于 μC/OS II的可移植性和开放性，用户可以自己的实际应用添加所需的模块。 μ C/OSII 是一个抢占式实时操作系统，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的 CPU 使用权。 这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好。 另外内核的实现都仔细考虑了运行时间的确定性问题，任务调度、任务间通信和内存分配都是 由 执行时间 来 确定，不会因为任务数 量 变化、 执行 顺序变化等 引起冲突。 μC/ OSII可供不同的微处理器使用，可以移植到 8位到 64位不同的微处理器上。 它的基本思路就是“近似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态”。 μC/OS II 结构的关系如下 图 41 所示： 应 用 软 件（ 用 户 代 码 ）U C / O S Ⅱ已 处 理 器 无 关 的 原 代 码O S _ C O R E . C O S _ S E M C . CO S _ F L A G . C O S _ T A S K . CO S _ M B O X . C O S _ T I M E . CO S _ M E M C . C U C O S Ⅱ . CO S _ M U T E X . C U C O S Ⅱ . HO S _ Q . CU C / O S Ⅱ 配 置与 应 用 相 关 代 码 O S _ C F G . HI N C L U D E S . HU C / O S Ⅱ 处 理 器 相 关 代 码 O S _ C P U . HO S _ C P U _ A . A S MO S _ C P U _ C . C 图 41 uC/OSII 结构的关系图 16 从图中可以看出， μC/OS II 主要包括。