工业控制器赵志旭实训报告_工业控制实训报告
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模块化工业通用控制器
设计报告
指导教师：赵建敏 报告人姓名：赵志旭 报告人学号：201002444 2011年5月20日
目录
1引言 ······································································································ 1 2 设计概述 ····························································································· 3 2.1设计系统结构·············································································· 3 2.2各部分简介 ················································································ 4 3软件设计 ······························································································ 5 3.1 μC/OS-II ················································································ 5 3.2 通讯协议 ·················································································· 6 3.3 ADC模块设计 ············································································ 9 3.4 IO模块 ··················································································· 10 3.5 LCD接口电路 ········································································ 11 4硬件设计 ···························································································· 14 4.1 CPU设计 ················································································· 14 4.2 电源设计 ················································································ 15 4.3 JTAG下载电路的设计 ···························································· 16 5总结 ···································································································· 17 参考文献 ······························································································· 19 附录一：LCD运行图··········································································· 21 附录二：系统运行图············································································ 22
1引言
近几年来，微电子技术和计算机技术的发展，使微控制器集成度越来越高，计算速度越来越快，价格和功耗越来越低。因此不论是工业控制机技术还是可编程控制器(PLC)技术向嵌入式领域渗透的步伐正在逐渐加大。嵌入式系统因极小的体积、极低的功耗散热和软硬件的可裁剪性，而深受用户的欢迎。可以预见，基于嵌入式系统的工业控制器必将具有广阔的发展空间。
随着现代科技的发展, 工业控制器在工业生产的各领域发挥着越来越重要的作用。工业自动化的高速发展，生产规模的日益扩大，全球化生产的日益融合，对工业控制器提出了更高要求，如微型化、便携化、智能化、网络化等。目前，用于工业控制的控制器主要分为两种，即:工业控制机和可编程控制器(PLC)。工业控制机是由通用的微机推广应用而发展起来的。国内工控机的产品主要分为CP总线工控机、STD总线工控机、VME总线工控机。其中CP总线工控机的发展最快;自60年代末第一台PLC问世以来，己很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。
半导体技术的迅猛发展，使控制器的设计从模拟化走向数字化。如果控制器由数字化再发展到模块化, 即以模块控制器取代众多各厂家自己开发的控制器;那么各个厂家就可以利用现成单元电路模块组装成自己所需要的产品, 这样就可以最大限度地以减少制造成本和开发时间。因此模块化控制器应该有独立可拆分的功能和典型结构，具有组合性和通用性。既易于组合成新系统、新产品, 升级方式简捷;也容易从系统或产品中拆卸、更换, 维修方便;总之模块工业控制器典型、通用、互换、兼容。目前，在大型的工业控制系统中主要采用PLC、DCS等控制设备, 它们采用模块化设计功能强大、设计灵活、性能稳定, 可以很好的满足控制需求。但是在小型控制系统中主要还是采用数字仪表来对系统进行控制, 它在控制精度和速度上都难以满足现代工业控制的要求。而目前在各个领域广泛应用的嵌入式系统具有功耗低、体积小、集成度高、成本低、稳定性好等特点, 如果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居等）。设计概述
2.1设计系统结构
本系统采用ST公司生产的STM32系列单片机。STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，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。STM32芯片虽然有如此强大的功能，但是价格并不贵，所以非常适合本系统使用。
本系统各模块间采用Modbus协议进行通信，Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。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通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。如果本系统采用Modbus协议可以保证各个模块之间的数据高速可靠的传输。而且由于采用这种通用的工业标准，所以在以后的功能扩展的时候会非常简便。
本系统使用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/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。所以本系统采用uC/OS II为操作系统。
LCD显示模块RS485RS485RS485RS485I/O模块RS485处理器CPU模块RS485ADC采集模块3
图2-1 系统的整体框图
2.2各部分简介
整个实训设计的硬件设计以STM32为核心控制器完成CPU与LCD显示模块、AD采集模块、I/O模块的硬件设计。每个模块设计RS-485通信接口。软件设计基于UCOS/II操作系统，划分任务，编写驱动程序和控制程序，最终实现一个演示系统，采集4路一次供水温度信号、4路回水温度信号，4路二次供水温度信号、4路回水温度信号，并在LCD显示模块显示实时数据。
本实训设计的ADC采集模块负责检测采集现场的模拟信号量（例如温度、压力等），通过DMA（直接存储器存储）传输，之后等待CPU的查询。一旦收到CPU的查询命令，就将采集到的现场模拟信号量通过RS485总线传输给CPU，然后接着去采集现场信息，等待CPU的下一次查询。这样可以节省CPU的使用率。
通过系统框图可以看出CPU模块通过RS485总线和AD模块、IO模块和LCD模块相连接。
CPU模块在系统中充当主机，每隔一段时间就会分别查询各个模块的运行情况。CPU主要任务是收集AD模块、IO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模块主要任务是采集4路温度信号、4路压力信号，等待CPU模块的查询命令，当CPU查询命令到来时，将采集的信号传送给CPU模块。
IO模块主要任务是采集8路开关量信号，并在CPU查询命令到来时传送给CPU模块。
LCD模块主要任务是将CPU发送来的数据进行显示，并且根据触摸屏的状态来改变显示内容。到相应的工程文件中直接使用就可以了。实际上对于μC/OS-II的移植主要与4个文件相关，这4个文件是与处理器密切相关的:汇编文件(OS_CPU_A.ASM)、处理器相关C文件(OS_CPU.H、OS_CPU.C)和应用程序相关的配置文件(OS_CFG.H)。具体如下：
a、修改“include.h”文件
该头文件是一个主头文件，会出现在每一个.C文件中，通过修改它，增加自己的头文件。
b、修改“os_cfg.h”文件
此文件包含空闲任务的堆栈长度、消息队列、邮箱、信号量等的设置，通过修改此文件进行对操作系统裁剪。c、修改头文件“OS_CPU．H ”
头文件“OS_CPU．H”包括了用#define语句定义的、与处理器相关的常数、宏以及类型，需要修改的内容有与编译器相关的数据类型重定义部分和与处理器相关的少量代码。
d、修改C语言文件OS_CPU．C 文件OS_CPU．C中有10个C语言函数需要编写，这些函数中唯一必要的函数是OSTaskStkInit，其他9个函数必须声明，但不一定要包含任何代码。e、修改汇编语言文件OS_CPU_A．ASM 汇编文件OS_CPU_A.ASM中需要编写的函数分别为OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。
总之，μC/OS-II是一个完整的、可移植、固化、裁减的占先式实时多任务内核。μC/OS-II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是一个通用性的操作系统，所以对于不同硬件的实现，只需要根据具体CPU和实际应用做相应的移植即可。
3.2 通讯协议
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。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通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行进入中断关闭定时器NT35FLG=1?Y接收帧的第一个数据接收字节加1 帧有效标志位置位NT15FLG=1?YNN有效标志位置位 Y存入缓冲区 接收字节加1接收字节加1 有效标志位复位有效标志位置位 Y清除T35FLG和T15FLG清空缓冲区启动定时器退出中断 图3-2 串口中断服务子程序流程图
本系统模块间的通信过程为CPU模块（主机）每隔一段时间就会轮询一个从机以获取其数据。而其它设备如ADC模块、LCD显示模块或I/O模块(从机)应返回对查询作出的响应，或处理查询所要求的动作。
CPU模块（主机）可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应。从机对于主机的广播查询，无响应返回Modbus协议报据设备地址，请求功能代码，发送数据，错误校验码，建立了主机查询格式，从机的响应信息也用Modbus协议组织，它包括确认动作的代码，返回数据和错误校验码。若在接收信息时出现一个错误或从机不能执行要求的动作时，从机会组织一个错误信息，并向主机发送作为响应。
CPU模块在上电之后就会发送轮询命令，先询问AD模块，AD模块响应命令，将采集到的数据发送给CPU模块，轮询AD模块的命令帧格式如图3-3所示：
地址码=0x01功能码=0x03查询地址Ho查询地址Li数据个数Ho数据个数Li数据CRCHiCRCLo图3-3 CPU轮询AD模块的命令帧格式
AD模块收到CPU模块的轮询请求，就会做出响应。AD模块响应轮询命令的帧格式如图3-4所示：减到1us，此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输。
直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU 任何干预，通过DMA 数据可以快速地移动，这就节省了CPU 的资源来做其他操作。
直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU 任何干预，通过DMA 数据可以快速地移动，这就节省了CPU 的资源来做其他操作。
开始系统时钟初始化定时器初始化IO口初始化串口初始化AD初始化中断控制器初始化DMA初始化进入操作系统 图3-9 AD模块配置程序流程图
3.4 IO模块
根据功能需要，IO模块的操作系统分为三个任务：AppTaskCollect 任务、AppFrameAnalyze任务和AppTaskMBTx任务。AppTaskCollect 任务主要负责采集特定IO口的状态，程序流程图如图3-10所示：
进入AppTaskCollect任务采集特定IO口状态对状态进行存储
图3-10 AppTaskCollect 任务流程图
IO模块主要是负责数字量的采集，读取特定管脚的高低电平状态，将其存储
011 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。
FSMC(Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器))是STM32系列中内部集成256 KB以上FlaSh，后缀为xC、xD和xE的高存储密度微控制器特有的存储控制机制。之所以称为“可变”，是由于通过对特殊功能寄存器的设置，FSMC能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据／地址／控制信号类型以匹配信号的速度，从而使得STM32系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器，而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。利用FSMC来驱动LCD可以保证数据的传输速度。
本系统设计的LCD显示模块采用的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IO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。本系统使用的LCD具有触摸功能，触摸屏控制芯片为ADS7483,。ADS7843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。供电电压2.7~5 V，参考电压VREF为1 V~+VCC，转换电压的输入范围为0~ VREF，最高转换速率为125 kHz。ADS7843的引脚如图3-5所示：
图3-5 ADS7843引脚图
213 4硬件设计
任何系统都要求软硬件的密切配合，硬件可以增加系统软件的稳定性和灵活性，软件可以降低硬件的成本，两者是相辅相成的本系统的CPU模块、AD模块、IO模块、LCD模块组成。
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。
4.1 CPU设计
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。
本实训设计选用的STM32F103ZE类型的微处理器芯片，主要进行接受ADC模块采集的8路温度数据并进标度变化、接受I/O模块采集的8路数字量数据并且发送处理完的数据给LCD显示模块，并且让其进行显示。
STM32F103ZE微处理器的内部资源：
MCU:STM32103ZET6;(LQFP144脚,片上集成512K flash、64K RAM;12Bit A/D、D/A;PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等资源) 256K*16 BIT SRAM,FSMC扩展,满足大容量数据采集、处理及分析等应用MBSPIFLASH 芯片(AT45DB161),满足彩屏上丰富的图片存储、数据表格存储等应用
2.8寸TFT真彩屏,FSMC控制,配置ADS7843触摸控制器. CAN接口,驱动器芯片TJA1050 具体内部结构如图4-1所示：
415
图4-2电源转换电路图
4.3 JTAG下载电路的设计
JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1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。本系统的JTAG调试单元电路如图4-3所示：
图4-3 JTAG接口电路
这里采用的是标准的JTAG接法，但是STM32还有SWD接口，SWD只需要最少2跟线（SWCLK和SWDIO）就可以下载并调试代码了，这同我们使用串口下载代码差不多，而且速度更快，能调试。所以建议大家在设计产品的时候，可以留出SWD来下载调试代码，而摒弃JTAG。STM32的SWD接口与JTAG是共用的，只要接上JTAG，你就可以使用SWD模式了（其实并不需要JTAG这么多线），JLINKV8和ULINK2都支持SWD。
617 题的能力。
三，初步掌握了产品设计的整个流程和方法。在这次实训中，焊接挑战了我的动手能力，印制电路板图的设计则是挑战我的快速接受新知识的能力，电路设计挑战了我将理论与实际结合的能力，借鉴和创新的能力。在这过程中主要是锻炼了我与其他同学的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。在实训过程中，我熟悉了印制电路板的工艺流程、设计步骤和方法。同时这个实训使我认识到自己的理论知识和动手设计能力有待提高。
在本次实训中学习到了很多以前没有接触过的知识，比如Modbus通信协议，uC/OS II操作系统，uCGUI图形用户界面等等，而且在学习这些知识的同时也培养了我们搜索文献的能力，可以通过各种渠道去获得对自己有用的信息。
很感谢各位老师的细心指导，从他们那里我学会了很多书本上学不到的东西，教我们怎样把理论与实际操作更好的联系起来和许多做人的道理，这些东西无论是在以后的工作还是生活中都会对我起到很大的帮助。13周的实习给我以后的道路指出一条明路，那就是思考着做事，事半功倍，更重要的是，做事的心态，也可以得到磨练，可以改变很多不良的习惯。
819 datasheet:http://www.daodoc.com/read.php?tid=1979 [20]赵海，陈长华，王建锋董.微控制器电路LCD显示原理.电子与封装，2009 [21]任哲.嵌入式实时操作系统uCOS-Ⅱ原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社
[22]王铁流，李宗方，陈东升.基于SRM32的USB数据采集模块的设计与实现.检测技术，2009（8）
[23]Uc_GUI中文手册（3.26版本）[24]uC/CUI中文文档（基于3.26版本）[25]ILI9320数据手册 [26]STM32数据手册 [27]STM32中文参考手册
021 附录二：系统运行图-22
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