現(xiàn)場(chǎng)總線的開關(guān)量 I/O 模塊的設(shè)計(jì)總述及基本名詞解釋

1.4關(guān)鍵技術(shù)分析

1.4.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線的概念是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)成為可能后，于1984年左右提出的?，F(xiàn)場(chǎng)總線是面向工廠底層自動(dòng)化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)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，互不兼容。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

(1 )全數(shù)字化。在采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的企業(yè)中，用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接。此外，數(shù)字化信號(hào)固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。

(2 )全分布。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有足夠的自主性，它們彼此之間相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。

(3 )雙向傳輸。對(duì)于傳統(tǒng)的4-20mA電流信號(hào)，一條線只能傳遞一路信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在一條線上則可以向上傳遞傳感器信號(hào)，也可以向下傳遞控制信號(hào)。

(4 )自診斷?，F(xiàn)場(chǎng)總線儀表本身具有自診斷功能，而且這種診斷信息可以送到中央控制室，以便于維護(hù)，而這在只能傳遞一路信號(hào)的傳統(tǒng)儀表中是做不到的。

(5 )節(jié)省布線及控制室空間。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個(gè)儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個(gè)搭配線架。而在FCS系統(tǒng)中多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可串行連接在一條總線上，只需較少的線進(jìn)入中央控制室，這樣就大量節(jié)省了布線費(fèi)用，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià)。

(6 )多功能儀表。數(shù)字雙向傳輸方式使得現(xiàn)場(chǎng)總線儀表可以擺脫傳統(tǒng)儀表功能單一的制約，可以在一個(gè)儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測(cè)、運(yùn)算、控制于一體的變送控制器。

(7 )開放性。1999年底現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議已被IEC批準(zhǔn)正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線成為一種開放的技術(shù)。

(8 )互操作性。現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作，這樣就可以在一個(gè)企業(yè)中由用戶根據(jù)產(chǎn)品的性能、價(jià)格選用不同廠商的產(chǎn)品，集成在一起，避免了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產(chǎn)品限制，促進(jìn)有效的競(jìng)爭(zhēng)，降低控制系統(tǒng)的成本。

(9 )智能化與自治性。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有很高的智能，能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，甚至能在部件、網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)場(chǎng)總線突破了DCS系統(tǒng)中因?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的封閉造成的缺陷，采用開放化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備連接成控制網(wǎng)絡(luò)，組合成各類控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能。其突出特點(diǎn)是開放性、分散性與數(shù)字通信。

1.4.2嵌入式技術(shù)

●嵌入式系統(tǒng)

根據(jù)IEEE (國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義，嵌入式系統(tǒng)是“以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能”。在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、工業(yè)控制等方方面面中，而且工業(yè)控制是嵌入式系統(tǒng)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

(1 )系統(tǒng)內(nèi)核小。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)。

(2 )專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。

(3 )系統(tǒng)精簡(jiǎn)。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余。

(4 )具有實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。

(5 )支持多任務(wù)。嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運(yùn)行：但是為了合理的調(diào)度多任務(wù)。利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS( Real-Time Operating System )開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性并減少開發(fā)時(shí)間。

(6 )嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成后，用戶通常不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于程序的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)是需要交替結(jié)合進(jìn)行。

●嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)就是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。它是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的軟件，用戶的其他應(yīng)用程序都建立在操作系統(tǒng)之上，它在知識(shí)體系和技術(shù)本質(zhì)上與通用操作系統(tǒng)沒有太大的區(qū)別，一般用于比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中。由于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)時(shí)環(huán)境中，因此嵌入式系統(tǒng)一般具有實(shí)時(shí)特點(diǎn)。

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的需要，嵌入式操作系統(tǒng)必須要包括操作系統(tǒng)的一些最基本的功能，如中斷處理與進(jìn)程調(diào)度，用戶可以通過應(yīng)用程序接口(API)來使用操作系統(tǒng)。

●嵌入式開發(fā)過程

在嵌入式開發(fā)過程中有宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之分：宿主機(jī)是執(zhí)行編譯、鏈接、定址過程的計(jì)算機(jī);目標(biāo)機(jī)指運(yùn)行嵌入式軟件的硬件平臺(tái)。首先須把應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成可以在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼。這一過程包含三個(gè)步驟：編譯、鏈接、定址。編譯過程由交叉編譯器實(shí)現(xiàn)。所謂交叉編譯器就是運(yùn)行在一個(gè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上并為另一個(gè)平臺(tái)產(chǎn)生代碼的編譯器。常用的交叉編譯器有GNUC/C++ (gcc)。編譯過程產(chǎn)生的所有目標(biāo)文件被鏈接成一個(gè)目標(biāo)文件，稱為鏈接過程。定址過程會(huì)把物理存儲(chǔ)器地址指定給目標(biāo)文件的每個(gè)相對(duì)偏移處。該過程生成的文件就是可以在嵌入式平臺(tái)上執(zhí)行的二進(jìn)制文件。常用的集成開發(fā)工具有ADSl.2等。

嵌入式開發(fā)過程中另一個(gè)重要的步驟是調(diào)試目標(biāo)機(jī)上的應(yīng)用程序。嵌入式調(diào)試采用交叉調(diào)試器，一般采用宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)的調(diào)試方式，它們之間由串行口線或以太網(wǎng)或BDM線相連。交叉調(diào)試有任務(wù)級(jí)、源碼級(jí)和匯編級(jí)的調(diào)試，調(diào)試時(shí)需將宿主機(jī)上的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核下載到目標(biāo)機(jī)的RAM中或直接燒錄到目標(biāo)機(jī)的FLASH中。目標(biāo)監(jiān)控器是調(diào)試器對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序進(jìn)行控制的代理( Debugger Agent)，事先被固化在目標(biāo)機(jī)的Flash、ROM中，在目標(biāo)機(jī)上電后自動(dòng)啟動(dòng)，并等待宿主機(jī)方調(diào)試器發(fā)來的命令，配合調(diào)試器完成應(yīng)用程序的下載、運(yùn)行和基本的調(diào)試功能，將調(diào)試信息返回給宿主機(jī)[5 ]。