南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制摘要可編程控制器作為工業(yè)自動(dòng)化三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，以其性能優(yōu)越、可靠性高、易于開(kāi)發(fā)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文在總結(jié)分析可編程控制器的基本構(gòu)成、工作原理及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本著順應(yīng)可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)以及方便、實(shí)用、可靠等設(shè)計(jì)原則，提出了一種基于ARM微控制器的可編程控制器設(shè)計(jì)方案。論文主要從以下兩個(gè)部分展開(kāi)論述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ITCOSII嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)硬件部分先對(duì)ARM微控制器LPC2134作了簡(jiǎn)要介紹，然后具體介紹了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、輸入輸出電路設(shè)計(jì)、溫度信號(hào)采集電路、串行通信接口電路、鍵盤顯示接口電路、JTAG接口電路以及CAN總線接口電路。軟件部分對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ITCOSII的移植進(jìn)行了分析，并給出了移植到本文設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)的詳細(xì)過(guò)程；接著詳細(xì)探討了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的介紹、啟動(dòng)代碼設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)等。此外，在軟件方面還采用了PID算法以及軟件抗干擾技術(shù)。最后，論文對(duì)研制工作進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)指出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足和改進(jìn)思路，為課題的進(jìn)一步研究做了準(zhǔn)備。本課題研制的可編程控制器配置簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。能夠采集4,20MA05V的模擬量以及12路開(kāi)關(guān)量輸出L路10計(jì)10V、4路0,5V與2路0,20MA的模擬量以及8路開(kāi)關(guān)量；能夠采集6路溫度信號(hào)；可以應(yīng)用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制；能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PID控制；并配有RS232串行通信接口以及CAN總線通信接口?？傮w上，能滿足基本工業(yè)控制的要求。關(guān)鍵詞可編程控制器，ARM微控制器，LPC2134，ITCOSII，CAN總線南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制ABSTRACTPROGRAMMABLECON仃OLLCR,ONEOFTHETHREEMAJORPILLARSINAUTOMATIONINDUSTRY,NOTONLYOWNSEXCELLENTPERFORMANCEANDHIGHRELIABILITY,BUTISEASYTOBEDEVELOPEDANDMAINTAINED,PLAYSMOREANDMOREIMPORTANTROLEINTHEFILEDOFINDUSTRYMANUFACTUREACCORDINGTOANALYSISANDSUMMARIZATIONOFTHEBASICSTRUCTURE，PRINCIPLEANDFEATURES，THEDESIGNOFPROGRAMMABLECONTROLLERBASEDONARMMCU。ISINTRODUCEDINTHETHESIS，F(xiàn)OLLOWINGTHETENDENCYOFPROGRAMMABLECONTROLLERANDTHEDESIGNPRINCIPLEOFCONVENIENCE，GOODPRACTICABILITYANDHIGHRELIABILITYTHISTHESISISCONSISTEDOFTWOPARTSTHEDESIGNOFHARDWARE,THEDESIGNOFSOFTWAREINCLUDEICOSIIEMBEDDEDOPERATINGSYSTEMANDAPPLICATIONSOFTWAREINTHEHARDWAREPART,FIRSTARMMCULPC2134ISINTRODUCEDBRIEFLY,THENTHESYSTEMCIRCUITDESIGN,THEINPUTANDOUTPUTINTERFACECIRCUITDESIGN,TEMPERATURESIGNALACQUISITIONCIRCLLIT，SERIALCOMMUNICATIONINTERFACECIRCUIT,KEYBOARDDISPLAYINTERFACECIRCUIT,JTAGINTERFACECIRCUITANDCANBUSINTERFACECIRCUIT,AREINTRODUCEDRESPECTIVELYINSOFTWAREPART,THETRANSPLANTATIONOF肛COS一EMBEDDEDREALTIMEOPERATIONSYSTEMISANALYZED，ANDTHESPECIFICPROCESSOFPORTINGISINTRODUCEDTHENTHESOFTWAREDESIGNOFTHESYSTEMISDISCUSSEDINDETAILS，INCLUDINGTHEINTRODUCTIONOFTHEINTEGRATEDDEVELOPMENTENVIRONMENT,THEDESIGNOFSTARTUPCODE，THEDEVELOPMENTOFSYSTEMPROGRAMBESIDES。THEPIDARITHMETICANDTHEMETHODOFSOFTWAREANTIJAMMINGAREAPPLIDFINALLY,THESUMMARYOFRESEARCHWOKISSUPPLIED；MEANWHILE，THESHORTAGESANDTHEPERFECTNESSIDEAISPUTFORWARD；ANDTHE刪T1ERRESEARCHINFUTUREISPREPAREDTHCDESIGNEDPROGRAMMABLECONTROLLERISSIMPLEFORCONFIGURATION,CONVENINEMFOREXTENTION,ANDOWNSGOODPERFORMANCEINANTIJAMMINGANDRELIABLITY420MAO一5VANALOGSIGNALAND12CHANNELSWITCHSIGNALOANBECOLLECTED,AND1CHANNEL10IOV4CHANNELO一5V，2CHANNEL020MAANALOGSIGNALAND8CHANNELSWITCHSIGNALOUTPUTCANBEREALIZEDBESIDES，6CHANNELTEMPERATURESIGNAL南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制CANBECOLLECTEDITCALLBEAPPLIEDTOTHELOGICALCONTROLOFTHESWITCHSIGNAL，ANDSIMPLEPIDCONTROLCANBEREALIZEDMOREOVER,WITHRS232SERIALCOMMUNICATIONINTOFACEANDCANBUSINTERFACEINAWORD,THISPROGRAMMABLECONTROLLERCANMEETTHENEEDOFINDUSTRIALCONTROLBASICALLYKEYWORDSPROGRAMMABLECONTROLLER，ARMMICROCONTROLLERUNIT,LPC2134，ITCOSII，CANBUSLLI學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明1、堅(jiān)持以“求實(shí)、創(chuàng)新”的科學(xué)精神從事研究工作2、本論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果。3、本論文中除引文外，所有實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和有關(guān)材料均是真實(shí)的4、本論文中除引文和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其它機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果5、其他同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了聲明并表示了謝意。作者簽名J燕煎象日期纓生絲學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人完全了解南京信息工程大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國(guó)家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版；有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱；有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索；有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版保密的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定作者簽名2蘭竺笙日期冱壁絲南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研鑭11前言第一章緒論可編程控制器PROGRAMMABLECONTROLLER。PC，又稱為可編程邏輯控制PROGRAMMABLELGIECONTROLLER，PLC是一種新型的工業(yè)控制器，是以微處理器為核心的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制裝置。國(guó)際電工委員會(huì)IEC對(duì)可編程控制器作了如下定義“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備。都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！盠LL它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)具有功能完善、通用靈活、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、編程簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的順序控制系統(tǒng)主要是繼電接觸器控制系統(tǒng)，是一種有觸點(diǎn)的控制系統(tǒng)，采用的是布線連接方式，其系統(tǒng)不易變更、功能不易擴(kuò)展，只能用于要求不高的專用邏輯控制場(chǎng)合當(dāng)控制對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，其可靠性和難擴(kuò)充性難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求從而，需要有一種先進(jìn)的自動(dòng)控制裝置以滿足迅速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)要求。1968年，美國(guó)通用汽車公司提出了使用新一代控制器的設(shè)想。從用戶角度考慮，該公司對(duì)新一代控制器提了10點(diǎn)要求，為各大公司提供了明確的開(kāi)發(fā)目標(biāo)1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司DEC公司研制出了第一臺(tái)可編程控制器PD卜14，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，新一代工業(yè)控制設(shè)備一可編程控制器自此誕生。121經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，PLC的功能越來(lái)越強(qiáng)大。除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，還開(kāi)發(fā)了特殊功能模塊常見(jiàn)的特殊模塊有高速計(jì)數(shù)模塊、各種定位模塊、速度控制模塊、各種閉環(huán)控制模塊。配合這些特殊功能模塊，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷擴(kuò)大，廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、位置控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域。目前，PLC、CADCAM和機(jī)器人技術(shù)已發(fā)展成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱。LI12PLC的發(fā)展歷程PLC從1968年產(chǎn)生以來(lái)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，其發(fā)展過(guò)程大致為第一代PLC19691972年大多用一位機(jī)開(kāi)發(fā)，用磁芯存儲(chǔ)器存儲(chǔ)；功能簡(jiǎn)單，主要是邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)；機(jī)種單一，沒(méi)有形成系列。典型產(chǎn)品有美國(guó)DEC公司的南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制PDP14第二代PLC1973一1975年元件上采用了8位微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROM；功能上增加了數(shù)字運(yùn)算傳送、比較及模擬量控制等；產(chǎn)品初步形成系列。典型產(chǎn)品有美國(guó)MODICON公司的184、284、384。德國(guó)SIEMENS公司的SMLANCS3系列等。第三代PLC1976一1983年20世紀(jì)70年代后期超大規(guī)模集成電路和高性能微處理器的出現(xiàn)及引入PLC，PLC的功能及處理速度大大增加，增加了浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、平方、三角函數(shù)、相關(guān)數(shù)、查表、列表、脈寬調(diào)制變換等功能，還增加了遠(yuǎn)程IO、一些特殊功能模塊和通信、自診斷等功能。典型產(chǎn)品有德國(guó)SIEMENS公司的SIMATICS5系列。第四代PL19S卜一20世紀(jì)末期進(jìn)入20世紀(jì)80年代中，后期以來(lái)，超大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展，微處理器價(jià)格大幅度下跌，PLC中16位、32位片式高性能微處理器全廈使用。而且一臺(tái)PLC中配置多個(gè)CPU，進(jìn)行多通道處理。隨著各種智能模塊的產(chǎn)生以及編程語(yǔ)言的豐富，PLC已發(fā)展成為一種具有邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名副其實(shí)的“多功能控制器”。31典型產(chǎn)品有德國(guó)SIEMENS的SIMATICS7系列。美國(guó)AB公司的PIC5系列等。13國(guó)內(nèi)外PLC的狀況和發(fā)展趨勢(shì)自從美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)PLC以后。日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)相繼研制了各自的PLC。隨著PLC的不斷發(fā)展，PLC已逐步在工業(yè)控制領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位。它已廣泛用于鋼鐵冶金、機(jī)械加工、汽車制造、石油化工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。作者通過(guò)查閱資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外PLC市場(chǎng)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并將關(guān)于PLC未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的權(quán)威觀點(diǎn)概括闡述如下。鯽131國(guó)外FLC的狀況目前，世界上幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。如美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等都有幾十家工廠上千種各類PLC產(chǎn)品，PLC在工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用已相當(dāng)普及，在多種自動(dòng)化設(shè)備中占首位。美國(guó)ALLENBRADLEYAB公司。德國(guó)西門子SIEMENS公司，日本三菱MITSUBISHI、歐姆龍OMRON等公司都是國(guó)際上著名的PLC生產(chǎn)廠彰其中AB公司的PI【卜5系列，功能齊備的各種模塊是通用的，處理器模塊內(nèi)集成有通信機(jī)制及多種通信接口；SIEMENS公司的S卜400系列大型PLC，適宜于自動(dòng)化生產(chǎn)和過(guò)程中做高級(jí)控制應(yīng)用。易于擴(kuò)展，具有強(qiáng)大的通信能力，是中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案；61三菱公司推出的A系列PLC是一種新型的帶有智能接口的PLC，具有控制多模擬量系統(tǒng)的PID回路調(diào)節(jié)功能，并具有很強(qiáng)的通信能力?？傊畤?guó)外的這些PLC產(chǎn)品體現(xiàn)了當(dāng)今PLC技術(shù)的最高水平。2南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制132國(guó)內(nèi)PLC的狀況國(guó)際上PLC的發(fā)展經(jīng)歷了從研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用4個(gè)階段。而我國(guó)PLC的發(fā)展是從應(yīng)用開(kāi)始的，經(jīng)歷了從成套設(shè)備引進(jìn)應(yīng)用，PLC產(chǎn)品引進(jìn)應(yīng)用、合資生產(chǎn)產(chǎn)品、消化移植產(chǎn)品到PLC產(chǎn)品廣泛推廣應(yīng)用幾個(gè)階段嘲我國(guó)在PLC研制方面起步較晚，加上整個(gè)國(guó)家的工業(yè)化水平和工藝能力，特別是微電子技術(shù)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力，專用芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。與發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家有明顯差距。因此，我國(guó)的PLC技術(shù)也與先進(jìn)國(guó)家存在一定的差距。目前我國(guó)自主研制開(kāi)發(fā)的PLC多為中小型PLC，功能、質(zhì)量和可靠性等方面也有了明顯的提高。具有代表性的產(chǎn)品有南京嘉華JH200系列、北京和利時(shí)HOLLIASPLC系列等，其中，和利時(shí)HOLLIASPLC系列PLC的數(shù)字量O可達(dá)到1024點(diǎn)，模擬量L，0可達(dá)256點(diǎn)，內(nèi)置TCPIP通信接口。配有PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線主站及從站和遠(yuǎn)程IO16L盡管如此，國(guó)產(chǎn)PLC的市場(chǎng)占有率仍不超過(guò)10，也沒(méi)有形成主流產(chǎn)品。133PLC的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)代的PLC也將進(jìn)一步往前發(fā)展，功能越來(lái)越多，集成度越來(lái)越高，網(wǎng)絡(luò)功能越來(lái)越強(qiáng)，從而也使得PLC的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。總體來(lái)講，PLC的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面I大型PI,C不斷向高速度、大容量和多功能方向發(fā)展大型PLC向高速度和多功能方向發(fā)展，是使之能取代工業(yè)控制微機(jī)的部分功能，對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合自動(dòng)控制。存儲(chǔ)容量的提高是為大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供條件，目前大型PLC的存儲(chǔ)容量是幾百KB，最高可達(dá)到幾MB。2PLC向高性能微小型化方向發(fā)展PLC向微小型方向發(fā)展主要表現(xiàn)是向高性能、智能化、模塊化、整體型發(fā)展。微小型PLC的IO點(diǎn)數(shù)一般在8Q28點(diǎn)數(shù)字量IO以下，除了開(kāi)關(guān)量IO以外，還可以擴(kuò)展連續(xù)模擬量IO及其他各種特殊功能模塊。發(fā)展微小型PLC是適應(yīng)單機(jī)控制以及小型自動(dòng)化的需要，同時(shí)，也能更廣泛地取代繼電器控制。3產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化用戶促使生產(chǎn)廠家把PLC做成兼容產(chǎn)品，至少PLC的基本部件技術(shù)規(guī)格、輸入輸出模塊以及通信協(xié)議將規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。且能相互兼容。在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時(shí)，編程軟件也在不斷發(fā)展。PLC最常用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言。按照IEC611313國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，包括梯形圖、順序功能圖表、功能塊圖表、結(jié)構(gòu)化文本和指令表等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。此外許多公司推出了多種高級(jí)語(yǔ)言如C語(yǔ)言編程，未來(lái)的PLC編程工具和編程語(yǔ)言將規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化且相互兼容3南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制4加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)和通信功能加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通信功能包括PLC與計(jì)算機(jī)之間，不同PLC之間，PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線之間通信能力的加強(qiáng)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要。PLC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)符合國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，具有高速、層次靈活、高可靠性、大吞吐量等特點(diǎn)，適應(yīng)多網(wǎng)絡(luò)兼容連接和最級(jí)集成。通信性能方面，主要面向于ETHEMET技術(shù)和基于WEB技術(shù)。5新型P【C一軟PLC隨著標(biāo)準(zhǔn)IEC611313的推廣和開(kāi)放式工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，使得PC有可能替代傳統(tǒng)的PLC，成為新型的PLC_一軟PLC軟PLC是基于IPC或EPC的開(kāi)放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。它提供了與硬PLC同樣的功能，利用軟件技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換成全功能的PLC過(guò)程控制器。軟PLC采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，將PLC軟件開(kāi)發(fā)工具與系統(tǒng)硬件分離，解除了硬件設(shè)備對(duì)軟件的制約，充分利用PC機(jī)資源，提供了高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能可以滿足控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和柔性的要求，將控制、通信功能融為一體，具有廣泛的發(fā)展前景。14本課題研究的主要內(nèi)容本論文的任務(wù)是根據(jù)可編程控制器的系統(tǒng)組成與工作原理，利用嵌入式微控制器高性能、低功耗、低成本的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)以ARM微控制器LPC2134為核心的可編程控制器該可編程控制器具有開(kāi)關(guān)量IO控制、模擬量IO控制以及PID控制等功能。此外，為了適應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，本設(shè)計(jì)增加了CAN總線接口電路。整個(gè)設(shè)計(jì)以LPC2134為核心，配置相應(yīng)的外設(shè)及接口電路，用C語(yǔ)言以及匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，組成一個(gè)配置簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便、功耗低、可靠性高的微小型可編程控制器?；贏跚的可編程控制器的研制主要涉及硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。1硬件設(shè)計(jì)。完成系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)具體實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)硬件電路包括開(kāi)關(guān)量IO電路、模擬量I0電路、溫度信號(hào)采集電路、顯示通訊電路以及電源電路等。2軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行介紹。主要包括UCOSII操作系統(tǒng)的移植，監(jiān)控程序的模塊化設(shè)計(jì)，PID控制算法的設(shè)計(jì)，并結(jié)合SMARTARLL2200開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板，利用ADSL2集成開(kāi)發(fā)工具對(duì)刪嵌入式系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行仿真調(diào)試。4南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制第二章可編程控制器的系統(tǒng)分析本章首先介紹PLC的基本組成及各組成部分的作用，然后進(jìn)一步分析PLC工作原理。21PLC的基本組成及各組成部分的作用211PLC的基本組成PLC是一種以微處理器為核心的用于工業(yè)自動(dòng)控制的工業(yè)控制器，其本質(zhì)上是一臺(tái)工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)，所以它的組成與一般的微型計(jì)算機(jī)相類似。PLC硬件主要由中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器、輸入，輸出接口、電源、編程器以及智能輸入腧出接口等構(gòu)成PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。用戶輸入設(shè)備輸入接口外設(shè)接口212PLC各組成部分的作用電源中央處理器CPU存儲(chǔ)器ROMRAM圖21PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖輸出接口IO擴(kuò)展接口用戶輸出設(shè)備IO擴(kuò)展盟兀1中央處理單元CPU與一般計(jì)算機(jī)一樣CPU是PLC的核心，它的主要功能有按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；用掃描的方式通過(guò)IO部件接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等執(zhí)行各種運(yùn)算程序輸出運(yùn)算結(jié)果；與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)通信等。2存儲(chǔ)器PLC存儲(chǔ)系統(tǒng)包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)PLC內(nèi)部信L|L|一南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制罌的研制息包括程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM或EEPROM，其中ROM或EPROM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)監(jiān)控程序，而RAM用做內(nèi)部繼電器軟繼電器、移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、定時(shí)計(jì)數(shù)器以及累加器等；M用戶存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語(yǔ)言編寫的各種用戶程序。3輸入，輸出接口輸入腧出接口是PLC與外界連接的接口。PLC通過(guò)各種FO接口接收所需被控對(duì)象的各種信息，又將處理結(jié)果輸送給外部撥控對(duì)象，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。輸入接口用來(lái)接收和采集開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)，輸出接口用來(lái)連接被控對(duì)象中各種執(zhí)行元件4電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。它將交流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的直流電源，使PLC能正常工作。電源內(nèi)部電路由多級(jí)濾波、穩(wěn)壓電路等構(gòu)成，能克服電網(wǎng)波動(dòng)、溫度漂移等因素的影響，并對(duì)電路具有一定的保護(hù)能力，防止電壓突變時(shí)損壞中央控制單元5通信接口PLC配有多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口或網(wǎng)絡(luò)接口，以實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間的鏈接或互連，或者實(shí)現(xiàn)PLC與其他具有標(biāo)準(zhǔn)通信接13的設(shè)備之間的連接，通過(guò)這些通信接口可以與編程器、人機(jī)界面、打印機(jī)及計(jì)算機(jī)等相連。與其他PLC相連時(shí)?？梢越M成多機(jī)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制。當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可以組成多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合系統(tǒng)。通信接口一般是RS232或RS422或RS485串行通信接口以及可以選配的現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊6PLC的外部設(shè)備PLC的外部設(shè)備包括績(jī)程器、打印機(jī)、EPROM寫入器等。其中編程器用來(lái)輸入、編輯、調(diào)試用戶程序和監(jiān)視PLC的運(yùn)行?，F(xiàn)在PC已普遍用作PLC的通用編程器使用，通過(guò)RS232通信口與PLC相連，在PC上進(jìn)行梯形圖編輯、調(diào)試和監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、通信及打印。使編程及調(diào)試更為快捷便利。7智能輸入輸出接口根據(jù)PLC應(yīng)用的各種特殊功能的需要，PLC配有多種智能FO接口。例如高速計(jì)數(shù)模塊、PID控制模塊、溫度傳感器模塊等這些智能FO單元是一個(gè)獨(dú)立的自治系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)總線與主機(jī)相連，可在主機(jī)CPU的協(xié)調(diào)管理之下獨(dú)立工作6南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編貍控制器的研制22PLC的工作原理221PLC的工作方式PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的原理是建立在計(jì)算機(jī)原理基礎(chǔ)上的，即通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的為了便于執(zhí)行程序，在存儲(chǔ)器中設(shè)置輸入映像寄存器區(qū)和輸出映像寄存器區(qū)，分別存放執(zhí)行程序之前的各輸入狀態(tài)和執(zhí)行過(guò)程中各結(jié)果的狀態(tài)。PLC的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。CPU從第一條指令開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按順序逐條掃描用戶程序，直到程序結(jié)束，即完成一個(gè)掃描周期。然后返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描。PLC就這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描由于CPU的運(yùn)算處理速度很高，使得從外觀上看，用戶程序似乎是同時(shí)執(zhí)行的222PLC的系統(tǒng)工作過(guò)程PI,C在運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部要進(jìn)行一系列操作。大致包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容初始化處理；系統(tǒng)的自診斷；通信服務(wù)；現(xiàn)場(chǎng)IO數(shù)據(jù)處理以及執(zhí)行用戶程序。PLC的整個(gè)工作過(guò)程可用圖22表示。初。HPI系執(zhí)始統(tǒng)通輸行輸化自信入用出處診服處戶處理姍務(wù)理程理斷序圖22PLC工作過(guò)程示意圈1初始化處理PLC上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，進(jìn)行清零或復(fù)位處理，以消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性，同時(shí)對(duì)電源、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語(yǔ)法進(jìn)行檢查。2系統(tǒng)自診斷PLC在每個(gè)掃描周期都要進(jìn)入系統(tǒng)自診斷階段，以確保系統(tǒng)可靠性自診斷程序定期檢查CPU、程序存儲(chǔ)器、FO單元、通信等是否正常，定期復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器等。3通信服務(wù)通信服務(wù)指的是與編程器、PLC的其他外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)配置有網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)等進(jìn)行信息交換。在這個(gè)階段，進(jìn)行PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)之間的信息交換；PLC與其他帶微處理器的智能裝置通信等。嗍4執(zhí)行用戶程序PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都要執(zhí)行用戶程序。PLC的用7南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按順序排列。在用戶程序執(zhí)行階段，在沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU從第一條指令開(kāi)始，逐條順序地執(zhí)行用戶程序，并把運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像區(qū)對(duì)應(yīng)位中。5輸入、輸出處理PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都要進(jìn)行輸入、輸出處理輸入處理就是對(duì)PLC的輸入進(jìn)行一次讀取，將輸入端各變量的狀態(tài)重新讀入PLC中。存入輸入映像區(qū)；輸出處理就是將運(yùn)算后的結(jié)果存入輸出映像區(qū)，直至傳送NB部被控設(shè)備。整個(gè)工作過(guò)程中，當(dāng)PLC處于STOP停止?fàn)顟B(tài)時(shí)。只完成系統(tǒng)自診斷和通信服務(wù)工作；當(dāng)PLC處于RUN運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，除了完成系統(tǒng)自診斷和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入處理、用戶程序執(zhí)行、輸出處理工作。223PLC程序循環(huán)掃描過(guò)程PLC程序循環(huán)掃描過(guò)程主要分為三個(gè)階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段與輸出刷新階段。下面對(duì)這三個(gè)階段的情況進(jìn)行較詳細(xì)的分析1輸入采樣階段PLC在輸入采樣階段掃描所有輸入端子，將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，無(wú)論輸入信號(hào)狀態(tài)如何變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容都不會(huì)變化，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，輸入映像區(qū)中的內(nèi)容才會(huì)被刷新。2程序執(zhí)行階段PLC按先左后右、先上后下的次序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入映像寄存器中和其他元件寄存器讀出有關(guān)狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。此外，各元件映像寄存器中的內(nèi)容，隨著程序的執(zhí)行在不斷變化3輸出刷新階段在所有指令執(zhí)行完畢后，CPU將元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中。通過(guò)一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。從而完成本周期運(yùn)行結(jié)果的實(shí)際輸出。8南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制第三章嵌入式系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)31嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)EMBEDDEDSYSTEM是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具體地講，嵌入式系統(tǒng)是指以應(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)。唧從嵌入式系統(tǒng)的組成來(lái)看，個(gè)嵌入式系統(tǒng)由硬件、軟件、開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)4部分組成。其中嵌入式硬件包括嵌入式處理器，J空制器，數(shù)字信號(hào)處理器DIGITALSIGNALPROCESSOR，DSP等、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件、輸入輸出IO端口、圖形控制器等嵌入式軟件部分主要有嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件位于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品本身，開(kāi)發(fā)工具則獨(dú)立于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品之外。開(kāi)發(fā)工具一般用于開(kāi)發(fā)主機(jī)，包括語(yǔ)言編譯器、連接定位器、調(diào)試器等，它們構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)工具。目前。嵌入式系統(tǒng)己廣泛地應(yīng)用于智能產(chǎn)品、工業(yè)控制、辦公自動(dòng)化、石油化工、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、航空航天以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域。32嵌入式處理器321嵌入式處理器概述嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)有1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中8051體系占了多半。嵌入式處理器一般具備以下4個(gè)特點(diǎn)1對(duì)實(shí)時(shí)性和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間2具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；3可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)4嵌入式微處理器的功耗很低IL川目前，嵌入式處理器主要有嵌入式微處理器EMPU、嵌入式微控制器EMCU、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器EDSP以及片上系統(tǒng)SOC四類其中嵌入式微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、定時(shí)器、IO、串行口、AD等必要的功能模塊。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。322ARM微處理器ARM是ADVANCEDRISCMACHINES的縮寫，ARM既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字。9南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。目前?；贏RIVL技術(shù)的微處理器約占了32位RISC微處理器75以上的市場(chǎng)份額。IJ”ARM微處理器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線通訊等各個(gè)領(lǐng)域。目前，ARM微處理器有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARML0E系列、SECURCORE系列以及IMEL的XSCALE等幾個(gè)系列。其中，ARM7系列微處理器是低功耗的32位RISC處理器，該系列具有如下特點(diǎn)；1具有嵌入式ICE邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便；2極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用；3能夠提供09MIPSMHZ的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；43代碼密度高，并兼容16位的THUMB指令集；5對(duì)操作系統(tǒng)的廣泛支持；6指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARMGE系列和ARMIOE系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代7主頻最高達(dá)到130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。目前，ARM7微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)控制、INTERNOT設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多媒體和嵌入式應(yīng)用。UQARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核ARMTTDMI、A蹦71DMIS、ARM720T、刪7EJ。其中，ARMTTDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器內(nèi)核，屬低端ARM處理器核。ARMTTDMI的后綴意義如下T支持16位壓縮指令集THUMBD支持片上DEBUG；M內(nèi)嵌硬件乘法器MULTIPLIERI嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。33嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)EOSEMBEDDEDOPERATINGSYSTEM是嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過(guò)加載御載某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它使得嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率大大提高，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總工作量大大減少，同時(shí)也提高了嵌入式軟件的可移植性。為了滿足嵌入式系統(tǒng)的要求，嵌入式操作系統(tǒng)必須包含操作系統(tǒng)的一些最基本的功能，用戶可以通過(guò)API函數(shù)來(lái)使用操作系統(tǒng)常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式LINUX、WMDOW3CE、VXWORKS、OSE、NUCLEUS、ECOS、PCOSII其中，PCOSII是一個(gè)源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)支持多達(dá)64個(gè)任務(wù)，大部分嵌入式微處理器均支持PCOSII。34嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)341嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般由需求分析，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件，軟件執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成10南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研翻及系統(tǒng)測(cè)試5個(gè)階段組成各個(gè)階段之間要求不斷反復(fù)和修改，直至完成最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。聊其中。嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)需求分析就是確定設(shè)計(jì)任務(wù)和實(shí)際目標(biāo)，并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書，作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)；體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)描述了系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對(duì)硬件、軟件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的功能劃分，以及系統(tǒng)的軟件、硬件和操作系統(tǒng)的選型等；硬件設(shè)計(jì)主要包括電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB布線及元器件選型。在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，大部分工作都集中在軟件設(shè)計(jì)上，面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)與模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常使用的方法。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要任務(wù)是選型，選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器以及相關(guān)信號(hào)調(diào)理電路等，并考慮與嵌入式系統(tǒng)硬件的連接方法系統(tǒng)集成就是把系統(tǒng)的硬、軟件和執(zhí)行裝置集成在一起進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修改單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤，彌補(bǔ)前期設(shè)計(jì)的不足之處；系統(tǒng)測(cè)試的任務(wù)就是對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，看其是否滿足規(guī)格說(shuō)明書中給定的功能要求。342嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的是硬件開(kāi)發(fā)與軟件開(kāi)發(fā)分離的方式，能改善硬、軟件各自的性能，但不一定能使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最佳。雖然在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段考慮了軟、硬件的接口問(wèn)題，但由于軟、硬件分別開(kāi)發(fā)，各自部分的修改和缺陷容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成出現(xiàn)問(wèn)題此外，這些錯(cuò)誤不但難于定位，而且對(duì)于它們的修改會(huì)涉及整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)或硬件配置的改動(dòng)?；谝陨蠁?wèn)題，一種新的開(kāi)發(fā)方法應(yīng)運(yùn)而生。即硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法。唧硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法過(guò)程如圖31所示圖31嵌入式系統(tǒng)的硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程可歸納為1需求分析；2硬、軟件協(xié)同設(shè)計(jì)；3硬、軟件實(shí)現(xiàn)；4硬、軟件協(xié)同測(cè)試和驗(yàn)證。南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制35基于ARM的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)合PLC的基本組成與功能要求，作者提出了一種以ARM微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，即以ARM微控制器LPC2134為中心的硬件設(shè)計(jì)和基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ITCOS。II的軟件開(kāi)發(fā)。351硬件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用ARM微控制器來(lái)研制PLC，硬件資源配置以PHILIPSLPC2134微控制器為核心。該微控制器內(nèi)部集成了足夠的RAM，F(xiàn)LASHROM，UART接13和12C總線接口等。于是該P(yáng)LC硬件系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化成CPU接口，能夠大大降低成本，提高硬件工作可靠性，同時(shí)由于LPC2134配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，支持系統(tǒng)對(duì)CPU進(jìn)行在系統(tǒng)編程和調(diào)試，這對(duì)將來(lái)PLC產(chǎn)品的在系統(tǒng)編程、調(diào)試功能提供了有力保障。外圍電路配置有開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路，模擬量輸入輸出電路，溫度信號(hào)采集電路，電源電路，串口通信接口電路，鍵盤顯示電路等。此外，為了適應(yīng)PLC的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，增加了CAN總線接口電路，采用獨(dú)立的CAN控制器SJAL000、CAN總線收發(fā)器PCA82C250以及高速光電耦合器6N137352軟件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析在嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最重要的環(huán)節(jié)就是操作系統(tǒng)的選擇。只有確定了嵌入式操作系統(tǒng)，才可以根據(jù)系統(tǒng)的功能目標(biāo)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)和軟件模塊基于ARM的可編程控制器的系統(tǒng)軟件采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ITC，OSII，因此，整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序都是基于ITCOS操作系統(tǒng)的為了使ITCOSII在基于LPC2134的嵌入式系統(tǒng)上能夠正常運(yùn)行，需要完成“COSII操作系統(tǒng)的移植然后。利用UCOSII操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)以及ARM核微控制器集成開(kāi)發(fā)工具ADSI2開(kāi)發(fā)PI,C系統(tǒng)的監(jiān)控程序其中，PLC監(jiān)控程序按照模塊化方法可分為鍵盤處理程序、顯示程序、AD與DA轉(zhuǎn)換程序以及通信程序等；此外，還涉及到PID控制算法的實(shí)現(xiàn)。12南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制第四章基于ARM的可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)上一章提出的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，下砸就對(duì)本課題已經(jīng)完成的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。并對(duì)具體的硬件設(shè)計(jì)電路展開(kāi)分析。41硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖基于ARM的可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)主要包括ARM微控制器LPC2134、開(kāi)關(guān)量輸入輸出單元電路，模擬量輸入輸出單元電路、溫度信號(hào)采集電路、RS232通信接口電路、電源電路、時(shí)鐘與復(fù)位電路、鍵盤顯示電路、JTAG接口電路、CAN通信接口電路等硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖41所示。I輸入電路L”開(kāi)關(guān)量礦1卜時(shí)鐘、復(fù)位8路開(kāi)關(guān)量隔離電路1I輸出電路卜1JTAG廣接口電路I電流輸入廣叫信號(hào)1卜R、J232J信信I電輸入廣叫調(diào)理入加卜矮口電路1轉(zhuǎn)換1AIU訂溫度信號(hào)采集電模擬微控制器路鉑熱電阻、銅開(kāi)關(guān)LPC2134D裂差蓍熱電阻、4路熱電J偶傳感電路1蹯一LO計(jì)LOV阢一卜鍵盤、顯示廣1電路輸出FR信號(hào)2磷T020MA隊(duì)一調(diào)理L一D|K1輸出V廠一轉(zhuǎn)換卜蜂鳴器電路輸出4路。巧V仇一保持輸出F曠圖4，1硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖T3南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制42LPC2134芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)PC2134是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的1632位ARM7TDMISCPU的徽控制器。它具有如下主要特性DI小型LQFP64封裝的1632位ARM7TDMIS微控制器16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，128KB片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器128位寬度接口，力速器實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHZ的操作頻率。片內(nèi)BOOT裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程ISP和在應(yīng)用編程LAP。EMBEDDEDLCERT和嵌入式跟蹤接口，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤執(zhí)行代碼。2個(gè)32位定時(shí)器計(jì)數(shù)器和內(nèi)部看門狗。多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速R接口、SP和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP多達(dá)47個(gè)可承受5V電壓的通用IO口；多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHZ的CPU操作頻率片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為130枷，與外部振蕩器的操作頻率范圍高達(dá)50MHZ2個(gè)低功耗模式空閎和掉電單電源供電，含有上電復(fù)位和掉電檢測(cè)電路CPU操作電壓為36V。IO口可承受5V的電壓。較小的封裝和極低的功耗使LPC2134非常適用于小型系統(tǒng)應(yīng)用中。4個(gè)32位定時(shí)器、6個(gè)PWM通道和多達(dá)47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。使它們特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用和醫(yī)療系統(tǒng)。114143系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)431電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是多電源系統(tǒng)，涉及到五種共地電源5V，5V，12V，12V。以及33V其中模擬開(kāi)關(guān)CD4051、AD轉(zhuǎn)換器ICL7135、運(yùn)算放大器OP07等需要5V，5V供電電壓；運(yùn)算放大器OP07也需要12V，12V供電電壓；此外DA轉(zhuǎn)換器DAC7512等需要12V供電電壓；LPC2134微控制器的內(nèi)核以及IO口，串口通信芯片MAX3232、ZLG7290等需要33V供屯電壓圖42即為電源電路設(shè)計(jì)圖。南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制圖42電源電路設(shè)計(jì)圖本系統(tǒng)中所需電源電壓為直流電壓。最高值為12V，穩(wěn)壓塊壓降為2V，所以穩(wěn)壓前直流電壓為士14V電網(wǎng)提供的交流電有效值為220V，變壓后交流有效值為10V，能滿足整流為14V直流電壓本設(shè)計(jì)選用三抽頭變壓器，抽頭在次級(jí)線圈的中心位置，初級(jí)為220V次級(jí)為士IOV。當(dāng)給電源系統(tǒng)提供220V的交流電源時(shí)。變壓器就輸出兩組大小相同、相位相反的交流電壓，峰值分別為14V和一14V。然后通過(guò)整流橋，將正負(fù)交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動(dòng)電壓。根據(jù)電源電流與整流橋的要求，選定的整流橋規(guī)格為2A50V隨后通過(guò)濾波穩(wěn)壓產(chǎn)生達(dá)到所需要的直流電源。根據(jù)電壓需求穩(wěn)壓芯片選用MC7805II“、MC78121”、MC7905161，MC791216】和SPXI117171，分別實(shí)現(xiàn)5V。12V。SV，12V，33V的電壓輸出。其中MC7805、MC7812、MC7905、MC7912集成塊輸出電壓為固定值，即集成塊名的后兩位，78系列輸出為正電壓，79系列輸出為負(fù)電壓。SPXLLL7選用輸出電壓為33V的芯片SPXLLL7M333。電路中。三端穩(wěn)壓芯片輸入端接有1000心的電容，是為抵消輸入時(shí)的電感效應(yīng)，以防止穩(wěn)壓塊產(chǎn)生自激振蕩。保證正常工作。三端穩(wěn)壓芯片輸出端接有O1皿電容，這是為了消除電路的高頻噪聲，改善負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)。此外，同時(shí)為了檢測(cè)各個(gè)電源的輸出情況，分別通過(guò)不同阻值的電阻串聯(lián)不同顏色的LED來(lái)指示不同當(dāng)?。荒暇┬畔⒐こ檀髮W(xué)頤士論文基于ARM的可編程控制器的研制電源的工作狀態(tài)。需要注意的是，LPC2134具有獨(dú)立的模擬電源引腳VTA,A，V，為了降低噪聲和出錯(cuò)凡率，所以，在33V電源電路中，用電感L1將模擬電源與數(shù)字電源進(jìn)行隔離。432復(fù)位監(jiān)控電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用看門狗電路監(jiān)視系統(tǒng)MPU的運(yùn)行，在系統(tǒng)程序出錯(cuò)或因外界干擾而不穩(wěn)定時(shí)及時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，使系統(tǒng)重新運(yùn)行?？撮T狗復(fù)位電路可保證由ARM微控制器組成的PLC能從故障中迅速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。看門狗監(jiān)控芯片采用CATL025，CATL025番用低功耗CMOS技術(shù)將2K位的串行EEPOM存儲(chǔ)器和用于掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)存儲(chǔ)器采用400KHZ的I總線接口CATL025包含16秒的看門狗定時(shí)器電路，可在系統(tǒng)由于軟件或硬件干擾而被終止或“掛起”時(shí)將系統(tǒng)復(fù)位到一個(gè)可知的狀態(tài)?？撮T狗定時(shí)器監(jiān)控著SDA的狀態(tài)。片內(nèi)2K位的串行EEPROM構(gòu)成16字節(jié)的頁(yè)另外，VCC電壓監(jiān)控電路提供了硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，防止在VCC降到低于復(fù)位門檻電壓或上電時(shí)VCC上升到復(fù)位門檻電壓之前對(duì)存儲(chǔ)器的寫操作具體電路如圖43所示。433系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)目前所有的微控制器均為時(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)才能工作，因此需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路。LPC2134微控制器可使用外都晶振或外部時(shí)鐘源，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行的速度更快CPU最大操作時(shí)鐘為60MHZ倘若不使用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是100MHZ，外部時(shí)鐘頻率范圍是150MHZ；若使用片內(nèi)PLL功能或ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是1025MHZ。外部時(shí)鐘頻率范圍是1025H玨IZ。在本設(shè)計(jì)中。LPC2134使用了外部110592MHZ晶振，電容C10與C11取20PF，用IM0電阻R138并接到晶振的兩端，使系統(tǒng)更容易起振，并使波特率更精確。同時(shí)能支持LPC2134微控制器片內(nèi)PLL功能及ISP功能時(shí)鐘電路如圖44所示。16南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制圖43復(fù)位監(jiān)控電路44開(kāi)關(guān)量輸入聲輸出電路設(shè)計(jì)441開(kāi)關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)彈PIII墾圖44系統(tǒng)時(shí)鐘電路開(kāi)關(guān)量輸入電路的功能是采集現(xiàn)場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)接點(diǎn)的狀態(tài)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，送給CPU處理。開(kāi)關(guān)量輸入電路有直流開(kāi)關(guān)量輸入電路和交流開(kāi)關(guān)量輸入電路本設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)量輸入電路有8路直流開(kāi)關(guān)量輸入與4路交流開(kāi)關(guān)量輸入，下面就分別展開(kāi)介紹。1直流開(kāi)關(guān)量輸入電路以4路直流開(kāi)關(guān)量輸入電路為例，對(duì)電路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，電路如圖45所示。其中COM為公共端，發(fā)光二極管LEDILED4為各輸入點(diǎn)的狀態(tài)指示燈，TLP5214為4路光電耦合器，它實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合CPU要求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。施密特觸發(fā)器74LSL4用于消除現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)按鍵閉合和斷開(kāi)瞬間的電平抖動(dòng)以圖45中第L路為例可知，電阻R1、112、R19以及發(fā)光二極管LEDI和TLP5214中的發(fā)光二極管組成分壓網(wǎng)絡(luò)。使加在兩只發(fā)光二極管上的電壓在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)為2V，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)對(duì)為OV。這樣，電阻R1、112、R19、LEDI與DL組成的電路就將把外部電路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變?yōu)楣怦畹陌l(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)。電阻1133與光耦的光敏二極管串聯(lián)分壓。當(dāng)光耦中發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，分壓點(diǎn)為低電平；不發(fā)光時(shí)分壓點(diǎn)為高電平17南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制圖454路直流開(kāi)關(guān)量輸入電路2交流開(kāi)關(guān)量輸入電路交流開(kāi)關(guān)量輸入電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU要求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。圖46為4路220V交流開(kāi)關(guān)量輸入電路由圖可知，除了信號(hào)輸入處理部分與直流開(kāi)關(guān)量輸入電路不同外，其他部分都相同該電路有輸入濾波電路、限流電路、整流濾波電路、光電隔離電路以及施密特觸發(fā)器組成現(xiàn)場(chǎng)提供的220V交流電壓信號(hào)經(jīng)整流后得到直流電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光電耦合器TLP5214隔離并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，最后由經(jīng)施密特觸發(fā)器74LSL4供CPU讀取。圈464路交流開(kāi)關(guān)量輸入電路18南京信息工程大學(xué)碩士論文基于ARM的可編程控制器的研制同樣，以圖46中第1路為例，R106與C8組成輸入信號(hào)的交流濾波電路，以提高電路的抗干擾能力；R107為限流電阻，以限制進(jìn)入該輸入電路的電流220V交流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流橋I8得到直流信號(hào)；1152與C9組成高額濾波電路對(duì)整流后的直流信號(hào)進(jìn)行高頻濾波LED9用于對(duì)外指示該路是否有信號(hào)接通；光電耦合器TLP5214將濾波后的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)邏輯電