工业控制器实训报告李计川Word格式文档下载.docx

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这种控制方式具有以下优点：

①对输入信号进行实时处理，没有附加延时，响应速度快；

②由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率，因此控制器的精度较高且具有较大的带宽。

但是，模拟控制系统与数字控制系统相比，也有明显的缺点：

①老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大；

②构成模拟系统需要的元器件较多，增加了系统的复杂性，最终使系统的可靠性降低；

③由于采用硬接线，系统设计安装完成后，几乎不可能修改系统的功能；

④受系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复杂控制算法。

目前在一些早期的系统和功能简单的系统中仍然采用这种控制方式。

1.1.2可编程逻辑控制器（PLC）

可编程逻辑控制器（PLC）是以微处理器为基础，在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。

它是将计算机技术与自动控制技术综合为一体的工业控制产品，由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O）、电源、编程器等组成，是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机。

这种控制方式具有体积小、可靠性高，通用性强，软、硬件开发周期短，安装维护简便，在工业现场抗干扰能力强等优点。

PLC是以循环扫描方式工作，即每一次状态变化需要一个扫描周期，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间（视PLC工作速度和用户程序大小而定）。

但PLC不方便实现复杂运算和算法，而且与PLC配套的附件较多，一次性购买成本高。

1.1.3DDC控制器

DDC（直接数字控制）控制器的内部也是由微处理器、工作存储器、程序存储器、时钟、模拟量输入输出和数字量输入输出等部分组成，和PLC有些类似。

不过DDC与PLC相比，其模拟量输入输出模块比较便宜，编程比较简单。

但是一般来说DDC的扫描周期比PLC要长，编程范围窄，可编程性较PLC差，一些PLC的功能DDC无法实现，除了工业领域，多用于空调、楼宇等控制要求不高的场合。

1.1.4通用计算机和工控机（PC-based）

在通用计算机和工控机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合与计算机进行信号交换的通信接口板，构成一个控制系统。

这种实现方法利用计算机的高速度和强大的运算能力，依托操作系统和方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，并且控制软件的修改也很方便。

但是，由于通用计算机和工控机本身的限制难以实现实时性要求高的信号处理算法，而且通用计算机相对工控机可靠性较差；

同时，系统体积过大，难以应用于工业现场。

因此，这种实现方法一般用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。

1.1.5专用控制芯片

基于专用控制芯片的控制器是将实现控制所需的各种逻辑功能做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些特定用途必须的辅助功能，使用户的软件设计工作减少到最小程度。

比如对于伺服电机，用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能，而一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM区内，可由计算机用指令很方便地修改。

这种方法具有系统使用元件少、集成度高、可靠性好等优点，同时又保持了模拟控制系统的快速响应能力。

专用控制芯片价格便宜，使系统成本较低。

但由于受专用控制芯片本身的限制，这种方法也有一些缺点：

①为了保证较高的系统响应速度而将软件算法固化在芯片内部，降低了系统的灵活性，不具有扩展能力；

②受芯片制作工艺的限制，现有的芯片很难实现复杂的控制算法和功能；

③用户不能对芯片进行编程，很难实现系统的升级；

④由于芯片本身算法的限制，系统的控制精度较低，难以实现高性能、高精度的应用场合。

1.1.6可编程逻辑器件

由于现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有用户可编程的特性，使得用户可以利用系统开发软件或VHDL等开发语言，通过软件编程实现控制算法，并将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而最终以硬件的方式实现控制。

这种方法的优点是：

①系统的主要功能都可在单片FPGA／CPLD器件中实现，减少了所需的元器件个数，缩小了系统体积；

②由于可编程器件具有系统可编程的特性，因而具有较好的扩展性和可维护性，通过修改软件即可实现系统的升级；

③系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理；

④容易开发，通用性强。

但是由于使用可编程逻辑器件实现的控制算法越复杂，器件内部需要的晶体管门数就越多，成本就越高，因此一般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的控制系统。

1.1.7嵌入式处理器

嵌入式处理器可以分为三类：

嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor）。

（1）嵌入式微控制器（单片机）

嵌入式微控制器又称为单片机，它将MCU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里，常见的有8051，PIC，AVR等系列。

由于将MCU、RAM、ROM或EPROM、I/O等集成在一块芯片上，单片机具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、体积小、价格低等诸多优点，并且单片机的功能愈来愈强，因而目前使用单片机为核心构成的控制器非常普遍。

①模拟电路实现逻辑控制需要许多分立电子元件，而在微控制单元中绝大多数控制逻辑可采用软件来实现，使电路更简单；

②单片机具有大容量的存储器和较强的逻辑功能，运算速度快、精度高，因此可以实现较复杂的控制运算；

③由于微控制单元的控制方式主要通过软件来实现，需要改变控制规律时只需修改相应的软件即可，因而具有较强的灵活性和适应性；

④由于数字控制系统中一般不会出现模拟电路中的零点漂移问题，且控制器的字长一般可保证足够的控制精度，因而具有较高的控制精度；

⑤可设计友好的人机界面，实现多机联网工作。

但是，由于一般微控制单元集成度较低，片上不具备一些控制系统所需要的专用外设，使以单片机为核心的控制器仍然需要较多的周边元器件，如要加上存储器、编码器及DA转换电路等，软硬件设计的工作量较大，并增加了系统硬件的复杂性，降低了系统的可靠性。

同时，由于单片机一般采用冯一诺依曼总线结构，使处理速度和能力有限。

（2）嵌入式DSP

数字信号处理器（DSP）专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。

在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理的分析等领域有着大量应用。

DSP在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进，DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。

内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。

正是由于其高速运算能力，DSP可以实现很多复杂的控制算法和功能，并且在运算精度方面具有优势。

但DSP的片上资源还算不上丰富，而且通讯接口也不是其重点，所以一般常常和其他处理器（比如ARM处理器）配合使用，执行计算密集型操作，实现多种信号处理算法,而另一个处理器往往负责操作系统的运行、任务管理和协调以及DSP的控制。

（3）嵌入式微处理器

嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。

在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板（核心板）上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。

目前的嵌入式处理器主要包括：

PowerPC、Motorola68000、ARM系列等等。

近几年来,随着ARM技术的不断成熟,使用ARM处理器作为核心的控制器不断涌现，其原因主要是ARM特有的优势:

ARM核的开放性，ARM芯片的高性价比、高可靠性和极低的功耗，ARM丰富的扩展接口，以及应用系统软件良好的可移植性和嵌入式操作系统的易植入性等等。

正是借助操作系统带来的通讯协议和应用软件开发的便利，ARM控制器通常具备了丰富的通讯接口和较复杂的控制算法程序，使得其可以应用在众多场合。

针对目前流行的ARM处理器和控制器PC化的发展趋势，如果我们设计一种嵌入式工业控制器,采用模块化设计的方法,结合模块化的灵活性和嵌入式系统的高效、稳定特性。

它可以测量多种信号,有较高的测量精度和多种测量范围并且能够对信号进行各种复杂的处理、运算控制。

另外还可以设计一个良好的人机界面以方便用户对信号组态控制、监测的功能,使控制器更加满足现代工业控制的要求。

这也就是本项目研究的目的及意义。

第二章．控制器的设计方案

2.1系统整体方案的确定

实训的目标：

设计一个基于STM32单片机的模块化工业控制器，采用分模块的设计思想，将整个工业控制器分成几个模块，形成自己的小单元电路，包括CPU主控制模块、LCD显示模块、AD采集模块、I/O模块，模块之间采用RS-485总线连接，通信协议采用modbus一主多从协议。

硬件设计：

以STM32为核心控制器完成CPU主控制器、AD采集模块、I/O模块和LCD显示模块的硬件设计。

每个模块设计RS-485通信接口。

软件设计：

在RealViewMDK（Keiluv3）软件的编程环境下，基于UCOS/II实时操作系统和uC/GUI图形显示界面，进行任务划分，编写驱动程序和控制程序，最终实现一个演示系统，采集4路温度信号、4路压力信号，8路开关量信号，并在显示模块显示实时数据。

在设计中，将控制器分成四个子模块，系统框图如图2-1所示：

图2-1系统的整体框图

CPU主控制模块：

在系统上电后，CPU负责整个控制器的运行监控其余三个模块是否正常工作。

它定时查询各个模块，收集AD模块、I/O模块的数据并将这些数据进行处理并发送给LCD模块显示。

AD模块：

采集现场的模拟信号量（4路温度信号、4路压力信号），等待CPU模块的查询命令，当CPU查询命令时，将信息通过RS485总线传送给CPU模块。

然后继续采集现场信息，等待CPU的下一次查询。

I/O模块：

采集水箱的液位数据（8路开关量信号），并在CPU查询命令到来时通过RS485总线传送给CPU模块。

LCD模块：

通过RS485总线接受显示CPU主控制模块发来的数据进行，并且根据触摸屏的状态命令来改变显示内容。

2.2控制器实现方法选择

在自动控制产品的设计过程中，实现方案的选择是多种多样的。

实现方案的选择恰当与否往往会影响到控制器整体功能的实现，也影响到用户使用操作是否便捷易行。

对于工业温度、压力等现场信息的调节，最初采用PID控制，采用整定PID参数来达到控制的目的。

随着采集的信息内容增多，信息量增大，最初的PID控制已经难以满足生产要求。

在8/16位单片机（如51单片机、AVR单片机等）出现之后，人们开始用单片机对信号进行采集、显示、算法处理等全部控制。

但是受限于其运算速度和内存容量，大量的现场数据信息难以及时处理。

在工业控制现场干扰源多，干扰信号强，如果采用单片机设计，则整套系统的抗干扰能力弱，一旦出现控制系统“死机”的情况，加上又没有其它的应急保护措施，很可能给机组设备的安全运行带来严重的影响。

由于8/16位的单片机速度不够快，内存不够大，很难满足设备的实时性及组网需求。

再者近年来，一些32位ARM微控制器异军突起，它们工作主频高达几百兆，且体积小、功耗低、成本低、性能高，尤其是它实时性好，快速响应和快速数据处理的能力得到了众多商家的青睐，逐步在国内外市场上成为主流。

所以我们设计是采用了ARM微处理器和CPLD相结合的方法，并从模块化的思路入手，将整个复杂的控制器分成几个部分，每个部分形成一个单独的子模块，再有这些子模块共同工作来达到对现场信息的控制。

采用模块化的设计方法，不仅有利于系统的安装与维护，而且在软件方面实现起来也会非常方便，提高了软件的可维护性。

2.3主控制芯片选择

整体方案一旦确定，接着就是主控制器的选择。

对于控制芯片的选择方案做如下比较:

方案一：

采用51系列单片机。

51单片机结构简单，编程难度小，而且价格便宜，所以现在很多电子产品使用51系列单片机。

但是本系统实现的功能较多，比如驱动LCD，AD采集以及RS485通信，如果使用51单片机做主控制芯片，需要增加许多外设的资源，大大增加了系统设计的复杂度。

本控制器不但要驱动LCD，而且在采集较多AD数据的情况下同时进行通信任务，这样51单片机就会显得力不从心，实现起来比较困难。

方案二：

采用32位的S3C2410芯片。

S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18um制造工艺的32位微控制器。

该处理器拥有：

独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer等等。

S3C2410处理器最高可运行在203MHz。

虽然S3C2410拥有如此众多的有点，但是它的功耗很大，并且价格不菲，所以本系统不使用这个方案。

方案三：

采用ST公司生产的STM32系列单片机。

STM32系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，集高性能、低功耗、实时应用、竞争性价格于一体，拥有基本型和增强型两个系列。

STM32芯片不但功能强大，而且价格也不贵，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，所以非常适合本系统使用，故本系统的控制芯片采用STM32芯片。

通过比较，我们选用的是STM32增强型STM32F103ZE。

2.4通信协议的比较

本系统采用模块化的设计思想，模块之间采用RS485总线连接，以此来进行数据交互。

但RS485只是一种电气接口标准，必须在此之上将数据的传输规则加以定义，才能保证数据有效高速的传输：

不使用任何协议，数据直接通过RS485总线传输。

这样可以降低软件的复杂度，但是因为本系统的多个子模块是同时工作的，如果没有通信协议的话，在某一时刻必然会造成数据的传输冲突，降低传输的可靠性。

采用通信协议，通信协议有多种，如TCP/IP（传输控制协议/Internet协议）、点到点协议PPP（pointtopointprotocol）SLIP（串行线路互联协议）以及Modbus协议等多种。

在本系统中，采用的协议不能太复杂，要能达到变成难度适中，数据互传输实时性好，通过比较我们采用Modbus协议。

Modbus协议是应用在电子控制器上的一种常用协议。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以自由通信。

它已经成为一种工业标准。

不同厂商生产的控制设备利用Modbus协议可以连成工业网络，进行集中监控。

本系统采用Modbus协议来保证各个模块之间的数据高速可靠的传输。

并且在以后的功能扩展时会非常简便。

2.5操作系统比较

由于本系统设计的功能比较多，所以在软件方面对于功能的整合显得十分必要，对于软件的实现方案比较如下：

不加操作系统。

也就是把所有的程序都放在一个大循环中。

这通常是实现简单功能的编程方法。

这样编程只适合任务较少、程序较短的情况。

并且多个任务不易同时进行。

在本系统中，比如AD模块，要进行8路AD采集，而且还得随时准备发送给CPU模块。

这样就会影响一些任务的实现和数据的实时传输。

使用μClinux实时操作系统。

μClinux是一种优秀的嵌入式版本，μClinux的内核非常小，但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性，包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、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。

使用uC/OS-II实时操作系统。

uC/OS-II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/OSII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/OSII简单易学。

通过以上比较，本系统采用uC/OS-II为控制器的操作系统

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。

3.1主控芯片

STM32是选用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3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72MHz，带有片内RAM和丰富的外设。

STM32F101是基本型系列，工作在36MHz。

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3-1所示：

图3-1STM32F103ZE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。

3.2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3.3V，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3.3V,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SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252（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1.3V，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3-2所示：

图3-2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3.3V电压给STM32芯片供电。

3.3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3-3所示：

图3-3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。

3.4JTAG下载电路的设计

JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1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3-4所示：

图3-4JTAG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。

3.5RS485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RS-485半双工结构作为通信接口标准。

RS-485是串行数据接口标准，由电子工业协会（EIA）1983年在RS-422基础上制定并发布了RS-485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，RS-485收发器被广泛使用。

RS-485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RS-485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RS-485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3-5所示：

图3-5RS485接口原理图

3.6LCD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