現(xiàn)場總線的開關(guān)量 I/O 模塊的總體方案設(shè)計

3.1遠程IO產(chǎn)品簡介

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化成為現(xiàn)代工業(yè)控制的發(fā)展潮流。20世紀(jì)80年代以來，開放的工業(yè)控制總線迅速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)連接的分散控制和嵌入式設(shè)備的控制技術(shù)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(chǎn)品，開放和通用是其主要特征。符合開放的總線規(guī)約，如Modbus、Device Net、Profibus-DP、Ethernet/IP等，能直接接入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，可與其他制造商提供的可編程控制器、上位機協(xié)同工作。可分散配置在現(xiàn)場，連接當(dāng)?shù)氐妮斎?輸出信號，可通過網(wǎng)絡(luò)連接到控制器，實現(xiàn)要求的控制。規(guī)約的開放性使它可連接到任何其他制造商符合規(guī)范的各種控制器。

正是這種通用性使遠程I/O產(chǎn)品成為獨立的產(chǎn)品而得到迅速的發(fā)展，成為工業(yè)控制領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)件。遠程I/O模塊主要應(yīng)用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，可用于連接工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場裝置數(shù)字量、模擬量輸入/輸出信號。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的IO產(chǎn)品，只作為PLC的專用附件，用于IO模塊的遠程分散配置，使用專用的通信規(guī)約與主機連接。隨著現(xiàn)場總線的發(fā)展，通過開放總線連接的遠程IO模塊才成為可獨立使用的產(chǎn)品。近年來逐漸出現(xiàn)了可配置遠程I/O模塊?？膳渲檬侵敢粋€遠程I/O節(jié)點所連接的輸入/輸出的模塊數(shù)和規(guī)格(輸入或輸出、信號電平、數(shù)字量或模擬量等)可在規(guī)定范圍內(nèi)自由組合，以適應(yīng)不同現(xiàn)場的要求，同時還可通過選擇接入的總線通信適配器適應(yīng)不同的總線規(guī)約?？膳渲眠h程I /O模塊非常適合多總線的產(chǎn)品系列，在應(yīng)用于不同的總線類型時，無需更換整個模塊，只需更換相應(yīng)的總線通信適配器即可。

3.2 IO模塊的需求分析

飛速發(fā)展的無線通信技術(shù)對電子設(shè)備的現(xiàn)場快速測試提出越來越高的要求，這必須依靠自動測試系統(tǒng)來完成。微波自動測試的目標(biāo)和步驟千差萬別，為提高測試效率，需要將微波開關(guān)矩陣融入到自動測試系統(tǒng)中。微波開關(guān)矩陣主要實現(xiàn)自動測試設(shè)備與被測電路單元之間的信息交換，以及為被測單元提供必要的負載，是微波自動測試系統(tǒng)的重要組成部分。

本論文提出了一種基于MODBUS現(xiàn)場總線的開關(guān)量IO模塊設(shè)計，開關(guān)量的輸出和采集就是基于微波開關(guān)矩陣控制系統(tǒng)而設(shè)計的，采用RS485接口應(yīng)用MODBUS協(xié)議與上位機通信，可同時進行16路開關(guān)量的控制和采集，通過上位機界面可靈活配置。

3.3系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

本方案采用的核心處理器S3C2440是一款由Samsung公司設(shè)計的低功耗、高度集成的16/32位RISC處理器，它采用289腳FBGA封裝，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

系統(tǒng)硬件主要包括：S3C2440處理器，存儲單元( Flash和SDRAM )、電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、RS485模塊、IO模塊、鍵盤模塊。

S3C2440處理器負責(zé)對單元的控制、運算和處理等功能;存儲單元為Flash和SDRAM;電源模塊采用220V交流電，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊得到內(nèi)核、IO等的工作電壓;時鐘模塊采用12M的無源晶振作為系統(tǒng)外部時鐘源，和一個32.768kHz的無源晶振作為RTC時鐘源;復(fù)位模塊防止程序跑飛，進行及時復(fù)位;JTAG用來對bootloader的燒寫;網(wǎng)絡(luò)模塊用來快速更新內(nèi)核、文件系統(tǒng)及應(yīng)用程序;RS485模塊用于基于MODBUS協(xié)議的串口通信;IO模塊用來對開關(guān)量的控制和采集;鍵盤模塊用來對本地進行操作、測試。

3.4系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序，即嵌入式Linux操作系統(tǒng)環(huán)境的建立以及在此系統(tǒng)下進行應(yīng)用程序的開發(fā)。

●嵌入式Linux軟件設(shè)計開發(fā)流程

第一，建立開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)一般使用RedHatLinux，版本從7到9都可以，選擇定制安裝或全部安裝，通過網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的GCC交叉編譯器機型安裝(例如arm - Linux-gcc、arm-uclibc-gcc)，或者安裝產(chǎn)品廠家提供的交叉編譯器。

第二，配置開發(fā)主機

在Linux下，配置串口通訊工具minicom，其作用是作為調(diào)試嵌入式開發(fā)板的信息輸出的監(jiān)視器和鍵盤輸入的工具。配置網(wǎng)絡(luò)，主要是配置網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS，需要關(guān)閉防火墻，簡化嵌入式網(wǎng)絡(luò)調(diào)試設(shè)置過程。

第三，建立引導(dǎo)裝載程序Bootloader

從網(wǎng)站上下載一些公開源代碼的bootloader，如U-boot、blob、vivi等，根據(jù)自己具體的芯片進行移植修改。例如三星公司的ARM7、ARM9系列的芯片，這樣就需要修改開發(fā)板上Flash的燒寫程序，網(wǎng)絡(luò)上有免費下載的Windows下通過JTAG并口簡易仿真器燒寫ARM外圍Flash芯片的燒寫程序，也有Linux下的公開源代碼的J-Flash程序。

第四，下載裁減編譯好的Linux操作系統(tǒng)

根據(jù)硬件平臺從網(wǎng)上下載適當(dāng)?shù)腖inux源碼，下載后根據(jù)應(yīng)用再添加特定硬件的驅(qū)動程序，進行調(diào)試修改，對于帶MMU的CPU可以使用模塊方式調(diào)試驅(qū)動。

第五，建立根文件系統(tǒng)

使用busybox軟件進行根文件系統(tǒng)功能裁減，產(chǎn)生一個最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應(yīng)用需要添加其他程序，需要使用mkcramfs、genromfs等工具產(chǎn)生燒寫鏡像文件。

第六，開發(fā)應(yīng)用程序

應(yīng)用程序可以放入根文件系統(tǒng)中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中，有的應(yīng)用不使用根文件系統(tǒng)，直接將應(yīng)用程序和內(nèi)核設(shè)計在一起。

第七，燒寫內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序

●應(yīng)用程序設(shè)計

本論文的應(yīng)用程序設(shè)計主要是針對基于MODBUS協(xié)議的串口編程。FreeMODBUS是針對通用的Modbus協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的一個實現(xiàn)，便于移植到linux內(nèi)核中。

MODBUS協(xié)議的串口編程分為上位機和下位機兩部分;上位機以Windows XP為開發(fā)平臺，采用VC++軟件設(shè)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，用C語言實現(xiàn)了基于RS485接口的MODBUS串口編程。

4開關(guān)量I/O模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1硬件系統(tǒng)整體設(shè)計

硬件的設(shè)計首先應(yīng)該考慮它的性能及市場前景，其次還要顧及到它的成本和開發(fā)時間，力求它的性價比及開發(fā)時間等指標(biāo)達到最優(yōu)。

整個裝置的硬件包含兩塊電路板：ARM9S3C2440核心板和外圍電路板。選用protel99SE來繪制電路原理圖和PCB，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示：

4.2核心處理器芯片的選擇

4.2.1 ARM簡介

ARM (Advanced RISC Machine )公司是一家專門從事芯片IP設(shè)計與授權(quán)業(yè)務(wù)的英國公司，其產(chǎn)品有ARM內(nèi)核以及外圍接口。ARM內(nèi)核是一種32位RISC微處理器，具有功耗低、性價比高和代碼密度高等特點。

1991年ARM公司成立于英國劍橋，ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯目前片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得AR M技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。

4.2.2 S3C2440簡介

在工業(yè)控制領(lǐng)域有核心處理芯片品種多，技術(shù)都比較成熟，穩(wěn)定性好，給我們的選擇余地比較大。8位單片機以51內(nèi)核單片機為代表，16位單片機以TIMSP430為代表，32位單片機以ARM7、ARM9內(nèi)核嵌入式處理器為代表。51內(nèi)核單片機是目前應(yīng)用最廣泛，工程師涉足人數(shù)最多的單片機，工業(yè)控制的產(chǎn)品大多數(shù)是基于51內(nèi)核單片機開發(fā)的，它的最大優(yōu)點是技術(shù)成熟，電磁兼容性好，價格便宜，開發(fā)成本低，開發(fā)的人數(shù)比較多。它的最大的缺點是寄存器位數(shù)少、可尋址空間范圍小，不利于做一些比較復(fù)雜的算法運算，或者一些外圍設(shè)備比較多的應(yīng)用;ARM7處理器采用3級流水線結(jié)構(gòu)，且主頻較低，目前已逐漸退出主流應(yīng)用場合。ARM9處理器，采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實現(xiàn)的。最后選用了市場上比較流行的基于ARM9內(nèi)核的S3C2440微處理器，它是工業(yè)級芯片，具有非常豐富的片上功能。

S3C2440微處理器采用289-FPGA封裝，為手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用提供了豐富的片上集成系統(tǒng)解決方案， 16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)和ARM920T內(nèi)核強大的指令集，主頻為400MHz，其ARM920T核由ARM9TDMI、存儲器管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。

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