第10章

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例10.1基于現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

分布式控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入控制領(lǐng)域后出現(xiàn)的新型控制系統(tǒng)，它將整個系統(tǒng)的檢測、計(jì)算和控制功能安排給若干臺不同的計(jì)算機(jī)完成，各計(jì)算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)相互之間的協(xié)調(diào)和系統(tǒng)之間的集成，網(wǎng)絡(luò)使得控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在功能和范圍上的“分布”成為可能。

單元式組合儀表的控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)的兩個主要技術(shù)來源；或者說，直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）的數(shù)字技術(shù)和單元式組合儀表的分布式體系結(jié)構(gòu)是DCS的核心，而這樣的核心之所以能夠在實(shí)際上形成并達(dá)到實(shí)用的程度、則有賴于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

分布式控制系統(tǒng)比較完整的定義如下：⑴以回路控制為主要功能的系統(tǒng)。⑵除變送單元和執(zhí)行單元外，各種控制功能及通信、人機(jī)界面均采用數(shù)字技術(shù)。⑶以計(jì)算機(jī)的顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)/軌跡球代替儀表盤形成系統(tǒng)的人機(jī)界面。⑷回路控制功能由現(xiàn)場控制站完成，系統(tǒng)可有多臺現(xiàn)場控制站，每臺現(xiàn)場控制站控制一部分回路。⑸人機(jī)界面由操作員站實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可有多臺操作員站。⑹系統(tǒng)中所有現(xiàn)場控制站、操作員站均通過數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)連接。

上述定義的前3項(xiàng)與直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）無異，后3項(xiàng)則描述了分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，這也是分布式控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)最根本的不同。10.1.1分布式控制系統(tǒng)概述

分布式的總體結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。圖10-1分布式的總體結(jié)構(gòu)圖1．通信網(wǎng)絡(luò)的要求⑴控制卡與監(jiān)控管理層之間的通信：控制卡與監(jiān)控管理層之間通信的下行數(shù)據(jù)包括測控板卡及通道的配置信息、直接控制輸出信息、控制算法的新建及修改信息等等，上行數(shù)據(jù)包括測控板卡的采樣信息、控制算法的執(zhí)行信息以及控制卡和測控板卡的故障信息等。⑵控制卡與測控板卡之間的通信：控制卡與測控板卡之間的通信信息包括測控板卡及通道的組態(tài)信息、通道的采樣信息、來自上位機(jī)和控制卡控制算法的輸出控制信息，以及測控板卡的狀態(tài)和故障信息等。

控制站內(nèi)的測控板卡間的通信采用現(xiàn)場總線CAN通信。2．控制功能的要求⑴系統(tǒng)的點(diǎn)容量：為滿足系統(tǒng)的通用性要求，系統(tǒng)必須允許接入多種類型的信號，目前的測控板卡類型共有7種，分別是8通道模擬量輸入板卡、4通道模擬量輸出板卡、8通道熱電阻輸入板卡、8通道熱電偶輸入板卡、16通道開關(guān)量輸入板卡、16通道開關(guān)量輸出板卡、8通道脈沖量輸入板卡。

這7種類型測控板卡的信號可以概括為4類：模擬量輸入信號（AI）、數(shù)字量輸入信號（DI）、模擬量輸出信號（AO）、數(shù)字量輸出信號（DO）。

在板卡數(shù)量方面，本系統(tǒng)要求可以支持4個機(jī)籠，64個測控板卡。⑵系統(tǒng)的控制回路容量：自動控制功能由控制站控制卡執(zhí)行由控制回路構(gòu)成的控制算法來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)可以支持255個由功能框圖編譯產(chǎn)生的控制回路，包括PID、串級控制等復(fù)雜控制回路?？刂苹芈返娜萘客瑯又苯佑绊懙奖鞠到y(tǒng)的運(yùn)算速度和存儲空間。⑶控制算法的解析及存儲：以功能框圖形式表示的控制算法（即控制回路）通過以太網(wǎng)下載到控制卡時，并不是一種可以直接執(zhí)行的狀態(tài)，需要控制卡對其進(jìn)行解析，并且能夠以有效的形式對控制算法進(jìn)行存儲。⑷系統(tǒng)的控制周期：系統(tǒng)要在一個控制周期內(nèi)完成現(xiàn)場采樣信號的索要和控制算法的執(zhí)行。本系統(tǒng)要滿足1秒的控制周期要求，這要求本系統(tǒng)的處理器要有足夠快的運(yùn)算速度，與底層測控板卡間的通信要有足夠高的通信速率和高效的通信算法。3．系統(tǒng)可靠性的要求⑴雙機(jī)冗余配置：為增加系統(tǒng)的可靠性，提高平均無故障時間，要求本系統(tǒng)的控制裝置要做到冗余配置，并且冗余雙機(jī)要工作在熱備狀態(tài)。⑵故障情況下的切換時間要求：處于主從式雙機(jī)熱備狀態(tài)下的兩臺控制裝置，不但要運(yùn)行自己的應(yīng)用，還要監(jiān)測對方的工作狀態(tài)，在對方出現(xiàn)故障時能夠及時發(fā)現(xiàn)并接管對方的工作，保證整個系統(tǒng)的連續(xù)工作。本系統(tǒng)要求從對方控制裝置出現(xiàn)故障到發(fā)現(xiàn)故障和接管對方的工作不得超過1秒。此要求涉及雙機(jī)間的故障檢測方式和故障判斷算法。4．其它方面的要求⑴雙電源冗余供電⑵故障記錄與故障報(bào)告⑶人機(jī)接口要求10.1.2現(xiàn)場控制站的組成

新型DCS控制系統(tǒng)分為3個層：監(jiān)控管理層、現(xiàn)場控制層、現(xiàn)場儀表層。

其中監(jiān)控管理層由工程師站和操作員站構(gòu)成，也可以只有一個工程師站，工程師站兼有操作員站的職能?，F(xiàn)場控制層由主從控制卡和測控板卡構(gòu)成，其中控制卡和測控板卡全部安裝在機(jī)籠內(nèi)部?，F(xiàn)場儀表層由配電板和提供各種信號的儀表構(gòu)成?？刂普景ìF(xiàn)場控制層和現(xiàn)場儀表層。一套DCS系統(tǒng)可以包含幾個控制站，包含2個控制站的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10-2所示。

每種類型的測控板卡都有相對應(yīng)的配電板，配電板不可混用。各種測控板卡允許輸入和輸出的信號類型如表10-1所示。圖10-2包含2個控制站的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖表10-1各種測控板卡允許輸入和輸出的信號類型板卡類型信號類型測量范圍備注8通道模擬量輸入板卡（8AI）電壓0~5V需要根據(jù)信號的電壓、電流類型設(shè)置配電板的相應(yīng)跳線電壓1~5VII型電流0~10mAIII型電流4~20mA8通道熱電阻輸入板卡（8RTD）Pt100熱電阻-200~850℃無Cu100熱電阻-50~150℃Cu50熱電阻-50~150℃8通道熱電偶輸入板卡（8TC）B型熱電偶500~1800℃無E型熱電偶-200~900℃J型熱電偶-200~750℃K型熱電偶-200~1300℃R型熱電偶0~1750℃S型熱電偶0~1750℃T型熱電偶-200~350℃8通道脈沖量輸入板卡（8PI）計(jì)數(shù)/頻率型0V~5V需要根據(jù)信號的量程范圍設(shè)置配電板的跳線計(jì)數(shù)/頻率型0V~12V計(jì)數(shù)/頻率型0V~24V4通道模擬量輸出板卡（4AO）II型電流0~10mA無III型電流4~20mA16通道數(shù)字量輸入板卡（16DI）干接點(diǎn)開關(guān)閉合、斷開需要根據(jù)外接信號的供電類型設(shè)置板卡上的跳線帽16通道數(shù)字量輸出板卡（16DO）24V繼電器閉合、斷開無10.1.3DCS控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

DCS控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖10-3所示。圖10-3DCS控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

雙CAN組建的非閉合環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)主要是為了應(yīng)對通信線斷線對系統(tǒng)通信造成的影響。

雙CAN組建的非閉合環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖10-4所示。圖10-4雙CAN組建的非閉合環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)原理圖

實(shí)際的雙CAN網(wǎng)絡(luò)連線圖如圖10-5所示。

圖10-5雙CAN網(wǎng)絡(luò)連線圖10.1.4DCS控制系統(tǒng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)

控制卡的主要功能是通信中轉(zhuǎn)和控制算法運(yùn)算，是整個DCS現(xiàn)場控制站的核心?？刂瓶梢宰鳛橥ㄐ胖修D(zhuǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對底層信號的檢測和控制，也可以脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，執(zhí)行上位機(jī)之前下載的控制方法。當(dāng)然，在上位機(jī)存在時控制卡也可以自動執(zhí)行控制方案。

通信方面，控制卡通過現(xiàn)場總線CAN實(shí)現(xiàn)與底層測控板卡的通信，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上層工程師站、操作員的通信。

系統(tǒng)規(guī)模方面，控制卡默認(rèn)采用最大系統(tǒng)規(guī)模運(yùn)行，即4個機(jī)籠，64個測控板卡和255個控制回路。系統(tǒng)以最大規(guī)模運(yùn)行，除了會占用一定的RAM空間外，并不會影響系統(tǒng)的速度和性能。255個控制回路運(yùn)行所需RAM空間大約500K，外擴(kuò)的SRAM有4MB的空間，控制回路仍有一定的擴(kuò)充裕量。1．控制卡的硬件組成

控制卡以ST公司生產(chǎn)的ARMCortex-M4微控制器STM32F407ZG為核心，搭載相應(yīng)外圍電路構(gòu)成。控制卡的構(gòu)成大致可以劃分為6個模塊，分別為：供電模塊、雙機(jī)余模塊、CAN通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、控制算法模塊和人機(jī)接口模塊?？刂瓶ǖ挠布M成如圖10-6所示。2．雙機(jī)冗余的設(shè)計(jì)

為增加系統(tǒng)的可靠性，控制卡采用冗余配置，并工作于主從模式的熱備狀態(tài)。兩個控制卡具有完全相同的軟硬件配置，上電時同時運(yùn)行，并且一個作為主控制卡，一個作為從控制卡。主控制卡可以對測控板卡發(fā)送通信命令，并接收測控板卡的回送數(shù)據(jù)；而從控制卡處于只接收狀態(tài)，不得對測控板卡發(fā)送通信命令。

在工作過程中，兩個控制卡互為熱備。圖10-6控制卡的硬件組成3．存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

由于控制算法運(yùn)行所需的RAM空間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出STM32F407ZG所能提供的用戶RAM空間，而且，控制算法也需要額外的空間進(jìn)行存儲。所以，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時做一定的RAM空間擴(kuò)展。

在電路設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了兩片RAM，一片SRAM為CY62177EV30，一片MRAM為MR4A16B。設(shè)計(jì)之初，將SRAM用于控制算法運(yùn)行，將MRAM用于控制算法存儲。但后期通過將控制算法的存儲態(tài)與運(yùn)行態(tài)結(jié)合后，要求外擴(kuò)的RAM要兼有控制算法的運(yùn)行與存儲功能，所以，必須對外擴(kuò)的SRAM做一定的處理，使其也具有數(shù)據(jù)存儲的功能。

CY62177EV30與STM32F407ZG連接圖如圖10-7所示。圖10-7CY62177EV30與STM32F407ZG連接圖10.1.5DCS控制系統(tǒng)控制卡的軟件設(shè)計(jì)1．控制卡軟件的框架設(shè)計(jì)

控制卡采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，該軟件的開發(fā)具有確定的開發(fā)流程。軟件的開發(fā)流程甚至與任務(wù)的多少、任務(wù)的功能無關(guān)。在μC/OS-II環(huán)境下，軟件的開發(fā)流程如圖10-8所示。圖10-8μC/OS-II環(huán)境下軟件的開發(fā)流程

控制卡軟件中涉及的內(nèi)容除操作系統(tǒng)μC/OS-II外，應(yīng)用程序大致可分為4個主要模塊，分別為雙機(jī)熱備、CAN通信、以太網(wǎng)通信、控制算法?？刂瓶ㄜ浖婕暗闹饕K如圖10-9所示。圖10-9控制卡軟件涉及的主要模塊

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II中程序的執(zhí)行順序與程序代碼的位置無關(guān)，只與程序代碼所在任務(wù)的優(yōu)先級有關(guān)。所以，在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II環(huán)境下的軟件框架設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是確定各個任務(wù)的優(yōu)先級安排。3．雙機(jī)熱備程序的設(shè)計(jì)

雙機(jī)熱備可有效提高系統(tǒng)的可靠性，保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定工作。雙機(jī)熱備的可靠實(shí)現(xiàn)需要兩個控制卡協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中的兩個控制卡工作于主從模式的雙機(jī)熱備狀態(tài)中，實(shí)現(xiàn)過程涉及控制卡的主從身份識別，工作中兩個控制卡間的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)同步，故障情況下的故障處理，以及故障修復(fù)后的數(shù)據(jù)恢復(fù)等方面。⑴控制卡主從身份識別

主從配置的兩個控制卡必須保證在任一時刻、任何情況下都只有一個主控制卡與一個從控制卡，所以必須在所有可能的情況下對控制卡的主從身份做出識別或限定。⑵狀態(tài)監(jiān)測與故障切換

處于熱備狀態(tài)的兩個控制卡必須不斷地監(jiān)測對方控制卡的工作狀態(tài)，以便在對方控制卡故障時能夠及時發(fā)現(xiàn)并做出故障處理。3．CAN通信程序的設(shè)計(jì)

控制卡與測控板卡間的通信通過CAN總線進(jìn)行，通信內(nèi)容包括將上位機(jī)發(fā)送的板卡及通道配置信息下發(fā)到測控板卡、將上位機(jī)發(fā)送的輸出命令或控制算法運(yùn)算后需執(zhí)行的輸出命令下發(fā)到測控板卡、將上位機(jī)發(fā)送的累積型通道的計(jì)數(shù)值清零命令下發(fā)到測控板卡、周期性向測控板卡索要采樣數(shù)據(jù)等等。此外，CAN通信網(wǎng)絡(luò)還肩負(fù)著主從控制卡間控制算法同步信號的傳輸任務(wù)。

CAN通信程序的設(shè)計(jì)需要充分利用雙CAN構(gòu)建的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)正常情況下的高效、快速的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)故障情況下的及時、準(zhǔn)確的故障性質(zhì)確定和故障定位。

STM32F407ZG中的CAN模塊具有一個CAN2.0B的內(nèi)核，既支持11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)格式幀，也支持29位標(biāo)志符的擴(kuò)展格式幀?？刂瓶ǖ脑O(shè)計(jì)中采用的是11位的標(biāo)準(zhǔn)格式幀。⑴CAN數(shù)據(jù)幀的過濾機(jī)制

STM32F407ZG中的CAN標(biāo)識符過濾機(jī)制支持兩種模式的標(biāo)識符過濾：列表模式和屏蔽位模式。

在列表模式下，只有CAN報(bào)文中的標(biāo)識符與過濾器設(shè)定的標(biāo)識符完全匹配時報(bào)文才會被接收。

在屏蔽位模式下，可以設(shè)置必須匹配位與不關(guān)心位，只要CAN報(bào)文中的標(biāo)識符與過濾器設(shè)定的標(biāo)識符中的必須匹配位是一致的，該報(bào)文就會被接收。⑵CAN數(shù)據(jù)的打包與解包

每個CAN數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場最多容納8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而在控制卡的CAN通信過程中，有些命令的長度遠(yuǎn)不止8個字節(jié)。所以，當(dāng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)超出單個CAN數(shù)據(jù)幀所能容納的8個字節(jié)時，就需要將數(shù)據(jù)打包，拆解為多個數(shù)據(jù)包，并使用多個CAN數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在接收端也要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，將多個CAN數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)提取出來并重新組合為一個完整的數(shù)據(jù)包，以恢復(fù)數(shù)據(jù)包的原有形式。

為了實(shí)現(xiàn)程序的模塊化、層次化設(shè)計(jì)，控制卡與測控板卡間傳輸?shù)拿罨驍?shù)據(jù)具有統(tǒng)一的格式，只是命令碼或攜帶的數(shù)據(jù)多少不同?？刂瓶–AN通信數(shù)據(jù)包格式如表10-4所示。表10-4控制卡CAN通信數(shù)據(jù)包的格式位置內(nèi)容說明[0]目的節(jié)點(diǎn)ID接收命令的板卡的地址[1]源節(jié)點(diǎn)ID發(fā)送命令的板卡的地址[2]保留字節(jié)預(yù)留字節(jié)，默認(rèn)0[3]數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)N，數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)，可為0[4]命令碼根據(jù)不同功能而定[4+1]數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)區(qū)，包含本命令攜帶的具體數(shù)據(jù)可為空，依具體命令而定[4+2]數(shù)據(jù)2[4+3]數(shù)據(jù)3…………[4+N]數(shù)據(jù)N

CAN通信數(shù)據(jù)包的分幀情況如表10-5所示。該表顯示了帶有10個附加數(shù)據(jù)的命令的分幀情況。表10-5CAN通信數(shù)據(jù)包的分幀情況區(qū)域信息類型第1幀

第2幀

第3幀標(biāo)識符標(biāo)識符高8位目的節(jié)點(diǎn)ID

目的節(jié)點(diǎn)ID

目的節(jié)點(diǎn)ID標(biāo)識符低3位001001000數(shù)據(jù)場幀頭信息[0]源節(jié)點(diǎn)ID

[0]源節(jié)點(diǎn)ID

[0]源節(jié)點(diǎn)ID[1]幀序號0[1]幀序號1[1]幀序號2發(fā)送數(shù)據(jù)[2]保留字節(jié)

[2]附加數(shù)據(jù)4

[2]附加數(shù)據(jù)10[3]數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)[3]附加數(shù)據(jù)5[3]×[4]命令碼[4]附加數(shù)據(jù)6[4]×[5]附加數(shù)據(jù)1[5]附加數(shù)據(jù)7[5]×[6]附加數(shù)據(jù)2[6]附加數(shù)據(jù)8[6]×[7]附加數(shù)據(jù)3[7]附加數(shù)據(jù)9[7]×⑶雙CAN環(huán)路通信工作機(jī)制

在只有一個CAN收發(fā)器的情況下，當(dāng)通信線出現(xiàn)斷線時，便失去了與斷線處后方測控板卡的聯(lián)系。但兩個CAN收發(fā)器組建的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)可以在通信線斷線情況下保持與斷線處后方測控板卡的通信。

在使用兩個CAN收發(fā)器組建的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，當(dāng)通信線出現(xiàn)斷線時，CAN1只能與斷線處前方測控板卡進(jìn)行通信，失去與斷線處后方測控板卡的聯(lián)系；而此時，CAN2仍然保持與斷線處后方測控板卡的連接，仍然可以通過CAN2實(shí)現(xiàn)與斷線處后方測控板卡的通信。從而消除了通信線斷線造成的影響，提高了通信的可靠性。⑷CAN通信中的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)

在應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II的軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用程序?qū)⒁匀蝿?wù)的形式體現(xiàn)。

控制卡共有4個任務(wù)和2個接收中斷完成CAN通信功能。它們分別為TaskCardUpload、TaskPIClear、TaskAODOOut、TaskCANReceive、IRQ_CAN1_RX、IRQ_CAN2_RX。3．以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計(jì)

在控制卡中，以太網(wǎng)通信已經(jīng)構(gòu)成雙以太網(wǎng)的平行冗余通信網(wǎng)絡(luò)，兩路以太網(wǎng)處于平行工作狀態(tài)，相互獨(dú)立。上位機(jī)既可以通過網(wǎng)絡(luò)1與控制卡通信，也可以通過網(wǎng)絡(luò)2與控制卡通信。第一路以太網(wǎng)在硬件上采用STM32F407ZG內(nèi)部的MAC與外部PHY構(gòu)建，在程序設(shè)計(jì)上采用了一個小型的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP。第二路以太網(wǎng)采用的是內(nèi)嵌硬件TCP/IP協(xié)議棧的W5100，采用端口編程，程序設(shè)計(jì)要相對簡單。⑴第一路以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)及嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP

第一路以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)，采用了一個小型的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP，用于網(wǎng)絡(luò)事件的處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

uIP是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的AdamDunkels開發(fā)的，其源代碼完全由C語言編寫，并且是完全公開和免費(fèi)的，用戶可以根據(jù)需要對其做一定的修改，并可以容易地將其移植到嵌入式系統(tǒng)中。

在設(shè)計(jì)上，uIP簡化了通信流程，裁剪掉了TCP/IP中不常用的功能，僅保留了網(wǎng)絡(luò)通信中必須使用的基本協(xié)議，包括IP、ARP、ICMP、TCP、UDP，以保證其代碼具有良好的通用性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

uIP與系統(tǒng)底層硬件驅(qū)動和上層應(yīng)用程序的關(guān)系如圖10-10所示。圖10-10uIP與系統(tǒng)底層硬件驅(qū)動和上層應(yīng)用程序的關(guān)系⑵第二路以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)及W5100的socket編程

W5100內(nèi)嵌硬件TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP、UDP、IPv4、ARP、ICMP等。W5100還在內(nèi)部集成了16KB的存儲器作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的緩沖區(qū)。W5100的高度集成特性使得以太網(wǎng)控制和協(xié)議棧運(yùn)作對用戶應(yīng)用程序是透明的，應(yīng)用程序直接進(jìn)行端口編程即可，而不必考慮細(xì)節(jié)的實(shí)現(xiàn)問題。

在完成了W5100的初始化操作之后，即可以開始基于W5100的以太網(wǎng)應(yīng)用程序的開發(fā)。W5100中的應(yīng)用程序開發(fā)是基于端口的，所有網(wǎng)絡(luò)事件和數(shù)據(jù)收發(fā)都以端口為基礎(chǔ)。啟用某一端口前需要對該端口做相應(yīng)設(shè)置，包括端口上使用的協(xié)議類型、端口號等。⑶網(wǎng)絡(luò)事件處理

以太網(wǎng)通信程序主要用于實(shí)現(xiàn)控制卡與上位機(jī)間的通信，及主從控制卡間的數(shù)據(jù)同步操作。10.1.6控制算法的設(shè)計(jì)

通信與控制是DCS控制站控制卡的兩大核心功能，在控制方面，本系統(tǒng)要提供對上位機(jī)基于功能框圖的控制算法的支持，包括控制算法的解析、運(yùn)行、存儲與恢復(fù)。

控制算法由上位機(jī)經(jīng)過以太網(wǎng)通信傳輸?shù)娇刂瓶ǎ?jīng)控制卡解析后，以1s的固定周期運(yùn)行?？刂扑惴ǖ慕馕霭ㄋ惴ǖ男陆?、修改與刪除，同時要求這些操作可以做到在線執(zhí)行?？刂扑惴ǖ倪\(yùn)行實(shí)行先集中運(yùn)算再集中輸出的方式，在運(yùn)算過程中對運(yùn)算結(jié)果暫存，在完成所有的運(yùn)算后對需要執(zhí)行的輸出操作集中輸出。1．控制算法的解析與運(yùn)行

在上位機(jī)將控制算法傳輸?shù)娇刂瓶ê?，控制卡會將控制算法信息暫存到控制算法緩沖區(qū)，并不會立即對控制算法進(jìn)行解析。因?yàn)閷刂扑惴ǖ男薷牟僮餍枰龅皆诰€執(zhí)行，并且不能影響正在執(zhí)行的控制算法的運(yùn)行。所以，控制算法的解析必須選擇合適的時機(jī)。本系統(tǒng)中將控制算法的解析操作放在本周期的控制算法運(yùn)算結(jié)束后執(zhí)行，這樣不會對本周期內(nèi)的控制算法運(yùn)行產(chǎn)生影響，新的控制算法將在下一周期得到執(zhí)行。

本系統(tǒng)中的控制算法以回路的形式體現(xiàn)，一個控制算法方案一般包含多個回路。在基于功能框圖的算法組態(tài)環(huán)境下，一個回路又由多個模塊組成。一個回路的典型組成是輸入模塊+功能模塊+輸出模塊。其中功能模塊包括基本的算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）、數(shù)學(xué)運(yùn)算（指數(shù)運(yùn)算、開方運(yùn)算、三角函數(shù)等）、邏輯運(yùn)算（邏輯與、或、非等）和先進(jìn)的控制運(yùn)算（PID等）等。功能框圖組態(tài)環(huán)境下一個基本PID回路如圖10-11所示。圖10-11功能框圖組態(tài)環(huán)境下一個基本PID回路

控制算法的解析過程中涉及最多的操作就是內(nèi)存塊的獲取、釋放，以及鏈表操作。理解了這兩個操作的實(shí)現(xiàn)機(jī)制就理解了控制算法的解析過程。其中內(nèi)存塊的獲取與釋放由μC/OS-II的內(nèi)存管理模塊負(fù)責(zé)，需要時就向相應(yīng)的內(nèi)存池申請內(nèi)存塊，釋放時就將內(nèi)存塊交還給所屬的內(nèi)存池。

一個新建回路的解析過程如圖10-12所示。圖10-12一個新建回路的解析過程2．控制算法的存儲與恢復(fù)

在系統(tǒng)的需求分析中曾經(jīng)提到，系統(tǒng)要求對控制算法的信息進(jìn)行存儲，做到掉電不丟失，重新上電后可以重新加載原有的控制算法。10.28通道模擬量輸入智能測控模塊（8AI）的設(shè)計(jì)10.2.18通道模擬量輸入智能測控模塊的功能概述

8通道模擬量輸入智能測控模塊（8AI）是8路點(diǎn)點(diǎn)隔離的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流輸入智能測控模塊?？刹蓸拥男盘柊?biāo)準(zhǔn)II型、III型電壓信號，標(biāo)準(zhǔn)的II型、III型電流信號。

通過外部配電板可允許接入各種輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號的儀表、傳感器等。該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴信號類型及輸入范圍：標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ、Ⅲ型電壓信號（0~5V、1~5V）及標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ、Ⅲ型電流信號（0~10mA、4~20mA）；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶采用高性能、高精度、內(nèi)置PGA的具有24位分辨率的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號可直接接入；⑷同時測量8通道電壓信號或電流信號，各采樣通道之間采用PhotoMOS繼電器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑸通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，每一通道可選擇輸入信號范圍和類型等，并將配置信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹智能測控模塊設(shè)計(jì)具有低通濾波、過壓保護(hù)及信號斷線檢測功能，ARM與現(xiàn)場模擬信號測量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。

8通道模擬量輸入智能測控模塊的性能指標(biāo)如表10-7所示。表10-78通道模擬量輸入智能測控模塊的性能指標(biāo)輸入通道點(diǎn)點(diǎn)隔離獨(dú)立通道通道數(shù)量8通道通道隔離任何通道間25VAC（47~53）Hz60s任何通道對地500VAC（47~53）Hz60s輸入范圍（0~10）mADC（4~20）mADC（0~5）VDC（1~5）VDC通信故障自檢與報(bào)警指示通信中斷，數(shù)據(jù)保持采集通道故障自檢及報(bào)警指示通道自檢錯誤，要求冗余切換輸入阻抗電流輸入250Ω電壓輸入1MΩ10.2.28通道模擬量輸入智能測控模塊的硬件組成

8通道模擬量輸入智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖10-13所示。

硬件電路主要由ARMCortexM4微控制器、信號處理電路（濾波、放大）、通道選擇電路、A-D轉(zhuǎn)換電路、故障檢測電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、高精度24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1213、LinCMOS工藝的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652CN、PhotoMOS繼電器AQW214EH、EtherCAT從站控制器采用ET1100、鐵電存儲器FM25L04等器件設(shè)計(jì)而成。圖10-138通道模擬量輸入智能測控模塊硬件組成框圖

現(xiàn)場儀表層的電流信號或電壓信號經(jīng)過端子板的濾波處理，由多路模擬開關(guān)選通一個通道送入A-D轉(zhuǎn)換器ADS1213，由ARM讀取A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果，A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過軟件濾波和量程變換以后經(jīng)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給主站。

智能測控模塊故障檢測中的一個重要的工作就是斷線檢測。除此以外，故障檢測還包括超量程檢測、欠量程檢測、信號跳變檢測等。10.2.38通道模擬量輸入智能測控模塊微控制器主電路的設(shè)計(jì)

8通道模擬量輸入智能測控模塊微控制器主電路如圖10-14所示。

圖10-14中的DIP開關(guān)用于設(shè)定機(jī)籠號和測控智能測控模塊地址，通過CD4051讀取DIP開關(guān)的狀態(tài)。74HC138三-八譯碼器控制PhotoMOS繼電器AQW214EH，用于切換8通道模擬量輸入信號。圖10-148通道模擬量輸入智能測控模塊微控制器主電路10.2.48通道模擬量輸入智能測控模塊的測量與斷線檢測電路設(shè)計(jì)

8通道模擬量輸入智能測控模塊測量與斷線檢測電路如圖10-15所示。

圖10-15可知，模擬量輸入信號經(jīng)電纜送入模擬量輸入智能測控模塊的端子板，信號電纜容易出現(xiàn)斷線，因此，需要設(shè)計(jì)斷線檢測電路，斷線檢測原理如下。（1）當(dāng)信號電纜未斷線，電路正常工作時，Uin處于正常的工作范圍，即0~2.5V。（2）當(dāng)通信電纜斷線時，電路無法接入信號。

首先令PB0=1，光耦斷開，Ua=0V，而Uc=1.5V，故Ub=0.75V，可得Uin=0.75V，而ADS1213工作在單極性，故轉(zhuǎn)換結(jié)果恒為0；然后令PB0=0，光耦導(dǎo)通，Ua=8.0V，Uc=1.5V，故Uin=（8.0V-1.5V）/2=3.25V，超出了Uin正常工作的量程范圍0~2.5V。由此即可判斷出通信電纜出現(xiàn)斷線。圖10-158通道模擬量輸入智能測控模塊測量與斷線檢測電路10.2.58通道模擬量輸入智能測控模塊信號調(diào)理與通道切換電路的設(shè)計(jì)

信號在接入測量電路前，需要進(jìn)行濾波等處理，8通道模擬量輸入智能測控模塊信號調(diào)理與通道切換電路如圖10-16所示。10.2.68通道模擬量輸入智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

8通道模擬量輸入智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、A-D采樣程序、數(shù)字濾波程序、量程變換程序、故障檢測程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。圖10-168通道模擬量輸入智能測控模塊信號調(diào)理與通道切換電路10.38通道熱電偶輸入智能測控模塊（8TC）的設(shè)計(jì)10.3.18通道熱電偶輸入智能測控模塊的功能概述

8通道熱電偶輸入智能測控模塊是一種高精度、智能型的、帶有模擬量信號調(diào)理的8路熱電偶信號采集模塊。該智能測控模塊可對7種毫伏級熱電偶信號進(jìn)行采集，檢測溫度最低為-200℃，最高可達(dá)1800℃。

通過外部配電板可允許接入各種熱電偶信號和毫伏電壓信號。該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴熱電偶智能測控模塊可允許8通道熱電偶信號輸入，支持的熱電偶類型為K、E、B、S、J、R、T，并帶有熱電偶冷端補(bǔ)償；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶采用高性能、高精度、內(nèi)置PGA的具有24位分辨率的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號可直接接入；⑷同時測量8通道電壓信號或電流信號，各采樣通道之間采用PhotoMOS繼電器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑸通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，每一通道可選擇輸入信號范圍和類型等，并將配置信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹智能測控模塊設(shè)計(jì)具有低通濾波、過壓保護(hù)及熱電偶斷線檢測功能，ARM與現(xiàn)場模擬信號測量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。

8通道熱電偶輸入智能測控模塊支持的熱電偶信號類型如表10-8所示。表10-88通道熱電偶輸入智能測控模塊支持的熱電偶信號類型R（0~1750）℃K（-200~1300）℃B（500~1800）℃S（0~1600）℃E（-200~900）℃N（0~1300）℃J（-200~750）℃T（-200~350）℃10.3.28通道熱電偶輸入智能測控模塊的硬件組成

8通道熱電偶輸入智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場熱電偶和毫伏信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖10-17所示。

硬件電路主要由ARMCortexM4微控制器、信號處理電路（濾波、放大）、通道選擇電路、A-D轉(zhuǎn)換電路、斷偶檢測電路、熱電偶冷端補(bǔ)償電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。圖10-178通道熱電偶輸入智能測控模塊硬件組成框圖

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、高精度24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1213、LinCMOS工藝的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652CN、PhotoMOS繼電器AQW214EH、EtherCAT從站控制器ET1100等器件設(shè)計(jì)而成。

現(xiàn)場儀表層的熱電偶和毫伏信號經(jīng)過端子板的低通濾波處理，由多路模擬開關(guān)選通一個通道送入A-D轉(zhuǎn)換器ADS1213，由ARM讀取A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果，A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過軟件濾波和量程變換以后經(jīng)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給主站。10.3.38通道熱電偶輸入智能測控模塊的測量與斷線檢測電路設(shè)計(jì)

8通道熱電偶測量與斷線檢測電路如圖10-18所示。圖10-188通道熱電偶測量與斷線檢測電路1．8通道熱電偶測量電路設(shè)計(jì)

如圖10-18所示，在該智能測控模塊的設(shè)計(jì)中，A-D轉(zhuǎn)換器的第一路用于測量選通的某一通道熱電偶信號，A-D轉(zhuǎn)換器的第二、三路用作熱電偶信號冷端補(bǔ)償?shù)臏y量，A-D轉(zhuǎn)換器的第四路用作AOUT-的測量。2．?dāng)嗑€檢測及器件檢測電路設(shè)計(jì)

下面介紹斷線檢測電路的工作原理。

當(dāng)PB0為低時，AQW214的7、8通道選通，此時用來檢測器件TLC393能否正常工作。設(shè)二極管兩端壓差為u，則AOUT-為3u，D1上端的電壓為4u。

則輸出OUT為高電平，說明TLC393能夠正常工作；反之，若TLC393的輸出OUT為低電平，說明TLC393無法正常工作。

當(dāng)PB1為低時，AQW214的5、6通道選通，此時PB0為高，AQW214的7、8通道不通，用來檢測是否斷線。（1）若未斷線，即AOUT+、AOUT-形成回路，由于其間電阻很小，可以忽略不計(jì)。則：

則輸出OUT為高電平。（2）若斷線，即AOUT+、AOUT-沒有形成回路，則：

則輸出OUT為低電平。3．熱電偶冷端補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

熱電偶在使用過程中的一個重要問題，是如何解決冷端溫度補(bǔ)償，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵鰺犭妱觿莶粌H與工作端的溫度有關(guān)，而且也與冷端的溫度有關(guān)。熱電偶兩端輸出的熱電動勢對應(yīng)的溫度值只是相對于冷端的一個相對溫度值，而冷端的溫度又常常不是零度。因此，該溫度值已疊加了一個冷端溫度。為了直接得到一個與被測對象溫度（熱端溫度）對應(yīng)的熱電動勢，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。3.冷端補(bǔ)償算法

在8通道熱電偶輸入智能測控模塊的冷端補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)中，熱敏電阻的電阻值隨著溫度升高而降低。因此與它串聯(lián)的精密電阻兩端的電壓值隨著溫度升高而升高，所以根據(jù)熱敏電阻溫度特性表，可以作一個精密電阻兩端電壓與冷端溫度的分度表。此表以5度為間隔，毫伏為單位，這樣就可以根據(jù)精密電阻兩端的電壓值，查表求得冷端溫度值。

精密電阻兩端電壓計(jì)算公式為：

N為精密電阻兩端電壓對應(yīng)的A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果。求得冷端溫度后，需要由溫度值反查相應(yīng)熱電偶信號類型的分度表，得到補(bǔ)償電壓

。測量電壓

與補(bǔ)償電壓

相加得到V，由V去查表求得的溫度值為熱電偶工作端的實(shí)際溫度值。10.3.48通道熱電偶輸入智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

8通道熱電偶輸入智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、A-D采樣程序、數(shù)字濾波程序、熱電偶線性化程序、冷端補(bǔ)償程序、量程變換程序、斷偶檢測程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。10.48通道熱電阻輸入智能測控模塊（8RTD）的設(shè)計(jì)10.4.18通道熱電阻輸入智能測控模塊的功能概述

8通道熱電阻輸入智能測控模塊是一種高精度、智能型的、帶有模擬量信號調(diào)理的8路熱電阻信號采集模塊。該智能測控模塊可對3種熱電阻信號進(jìn)行采集，熱電阻采用三線制接線。

通過外部配電板可允許接入各種熱電偶信號和毫伏電壓信號。該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴熱電阻智能測控模塊可允許8通道三線制熱電阻信號輸入，支持熱電阻類型為Cu100、Cu50和Pt100；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶采用高性能、高精度、內(nèi)置PGA的具有24位分辨率的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號可直接接入；⑷同時測量8通道熱電阻信號，各采樣通道之間采用PhotoMOS繼電器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑸通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，每一通道可選擇輸入信號范圍和類型等，并將配置信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹智能測控模塊設(shè)計(jì)具有低通濾波、過壓保護(hù)及熱電阻斷線檢測功能，ARM與現(xiàn)場模擬信號測量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。

8通道熱電阻輸入智能測控模塊測量的熱電阻類型如表10-9所示。表10-98通道熱電阻輸入智能測控模塊測量的熱電阻類型Pt100熱電阻-200℃~850℃Cu50熱電阻-50℃~150℃Cu100熱電阻-50℃~150℃10.4.28通道熱電阻輸入智能測控模塊的硬件組成

8通道熱電阻輸入智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場熱電阻信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖10-19所示。

硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、信號處理電路（濾波、放大）、通道選擇電路、A-D轉(zhuǎn)換電路、斷線檢測電路、熱電阻測量恒流源電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、高精度24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1213、LinCMOS工藝的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652CN、PhotoMOS繼電器AQW212、EtherCAT從站控制器ET1100等器件設(shè)計(jì)而成。

現(xiàn)場儀表層的熱電阻經(jīng)過端子板的低通濾波處理，由多路模擬開關(guān)選通一個通道送入A-D轉(zhuǎn)換器ADS1213，由ARM讀取A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果，A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過軟件濾波和量程變換以后經(jīng)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給主站。圖10-198通道熱電阻輸入智能測控模塊硬件組成框圖10.4.38通道熱電阻輸入智能測控模塊的測量與斷線檢測電路設(shè)計(jì)

8通道熱電阻測量與自檢電路如圖10-20所示。

由圖10-20可知，當(dāng)電路處于測量狀態(tài)時，自檢電路無效，熱電阻信號接入測量電路。

假設(shè)三根連接導(dǎo)線的電阻相同，阻值為r，RT為熱電阻的阻值，恒流源電路的電流I=2.5mA，由等效電路可得：

整理得：圖10-208通道熱電阻測量與自檢電路

由上式可知，ADS1213輸入的差分電壓與導(dǎo)線電阻無關(guān)，從而有效的消除了導(dǎo)線電阻對結(jié)果的影響。

當(dāng)自檢電路使能，電路處于斷線檢測狀態(tài)時。其中熱電阻及導(dǎo)線全部被屏蔽。

假設(shè)三根連接導(dǎo)線的電阻相同，阻值為r，RT為熱電阻的阻值，恒流源電路的電流I=2.5mA，精密電阻R=200Ω,由等效電路可得：

整理得：

由上式可知ADS1213輸入的差分電壓在斷線檢測狀態(tài)下為0.5V的固定值，與導(dǎo)線電阻無關(guān)。

綜上可知，在該智能測控模塊中，熱電阻的三線制接法及運(yùn)算放大器的兩級放大設(shè)計(jì)有效的消除了導(dǎo)線電阻造成的誤差，從而使結(jié)果更加精確。

為了確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，自檢電路能夠迅速檢測出恒流源是否正常工作及輸入信號有無斷線。其自檢步驟如下：（1）首先使SEL=1，譯碼器無效，屏蔽輸入信號，若Uin=0.5V，則恒流源部分正常工作，否則恒流源電路工作不正常。（2）在恒流源電路正常情況下，SEL=0，ADS1213的PGA=4，接入熱電阻信號，測量ADS1213第1通道信號，若測量值為5.0V，達(dá)到滿量程，則意味著恒流源電路的運(yùn)放U4處于飽和狀態(tài)，MOS管VT1的漏極開路，未產(chǎn)生恒流，即輸入的熱電阻信號有斷線，需要進(jìn)行相應(yīng)處理；若測量值在正常的電壓范圍內(nèi)，則電路正常，無斷線。10.4.48通道熱電阻輸入智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

8通道熱電阻輸入智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、A-D采樣程序、數(shù)字濾波程序、熱電阻線性化程序、斷線檢測程序、量程變換程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。10.54

通道模擬量輸出智能測控模塊（4AO）的設(shè)計(jì)10.5.14通道模擬量輸出智能測控模塊的功能概述

8卡為點(diǎn)點(diǎn)隔離型電流（II型或III型）信號輸出模塊。ARM與輸出通道之間通過獨(dú)立的接口傳送信息，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一輸出通道發(fā)生故障，也不會影響到其它通道的工作。由于ARM內(nèi)部集成了PWM功能模塊，所以該智能測控模塊實(shí)際是采用ARM的PWM模塊實(shí)現(xiàn)D-A轉(zhuǎn)換功能。此外，模板為高精度智能化卡件，具有實(shí)時檢測實(shí)際輸出的電流值，以保證輸出正確的電流信號。

通過外部配電板可輸出II型或III型電流信號。該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴模擬量輸出智能測控模塊可允許4通道電流信號，電流信號輸出范圍為0~10mA（II型）、4~20mA（III型）；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶采用ARM內(nèi)嵌的16位高精度PWM構(gòu)成D-A轉(zhuǎn)換器，通過兩級一階有源低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)信號輸出；⑷同時可檢測每個通道的電流信號輸出，各采樣通道之間采用PhotoMOS繼電器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑸通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，將配置通道信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹智能測控模塊設(shè)計(jì)具有低通濾波、斷線檢測功能，ARM與現(xiàn)場模擬信號測量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。10.5.24通道模擬量輸出智能測控模塊的硬件組成

4通道模擬量輸出智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場閥門的自動控制，其硬件組成框圖如圖10-21所示。

硬件電路主要由ARMCortexM4微控制器、兩級一階有源低通濾波電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、輸出電流信號反饋與A-D轉(zhuǎn)換電路、斷線檢測電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7901R、運(yùn)算放大器TL082I、PhotoMOS繼電器AQW214、EtherCAT從站控制器ET1100等器件設(shè)計(jì)而成。

ARM由CAN總線接收控制卡發(fā)來的電流輸出值，轉(zhuǎn)換成16位PWM輸出，經(jīng)光電隔離，送往兩級一階有源低通濾波電路，再通過V/I轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)電流信號輸出，最后經(jīng)過配電板控制現(xiàn)場儀表層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖10-214通道模擬量輸出智能測控模塊硬件組成框圖10.5.34通道模擬量輸出智能測控模塊的PWM輸出與斷線檢測電路設(shè)計(jì)

4通道模擬量輸出智能測控模塊PWM輸出與斷線檢測電路如圖10-22所示。

在圖10-22中，光耦合器U5用于輸出回路斷線檢測。

當(dāng)輸出回路無斷線情況，電路正常工作時，輸出恒定電流，由于鉗位的關(guān)系，光耦合器U5無法導(dǎo)通，STM32F407微控制器通過PA0讀入狀態(tài)1，據(jù)此即可判斷輸出回路正常。

當(dāng)輸出回路斷線時，VT1漏極與輸出回路斷開，但是由于U5的存在，VT1的漏極經(jīng)光耦合器的輸入端與VA1相連，V/I電路仍能正常工作，而U5處于導(dǎo)通狀態(tài)，STM32F407微控制器通過PB0讀入狀態(tài)0，據(jù)此即可判斷輸出回路出現(xiàn)斷線。圖10-224通道模擬量輸出智能測控模塊PWM輸出與斷線檢測電路10.5.44通道模擬量輸出智能測控模塊自檢電路設(shè)計(jì)

4通道模擬量輸出智能測控模塊自檢電路如圖10-23所示。圖10-234通道模擬量輸出智能測控模塊自檢電路10.5.54通道模擬量智能測控模塊輸出算法設(shè)計(jì)

4通道模擬量輸出智能測控模塊程序的核心是通過調(diào)整PWM的占空比來改變輸出電流的大小。PWM信號通過控制光耦合器U1產(chǎn)生反相的幅值為2.5V的PWM信號，由于占空比為0%~100%可調(diào)，因此PWM經(jīng)濾波后的電壓為0~2.5V，然后經(jīng)V/I電路產(chǎn)生電流。電流的大小正比于光耦合器后端的PWM波形的占空比，而電流的精度與PWM信號的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越高，占空比的精度越高，電流的精度也就越高。

由于電路統(tǒng)一輸出0~20mA的電流，智能測控模塊通過接收主控制卡的組態(tài)命令以確定Ⅱ型(0~10mA)或Ⅲ型(4~20mA)的電流輸出。因此Ⅱ型或Ⅲ型電流的輸出通過軟件相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)。II(0~10mA)型電流信號的具體計(jì)算公式如下：

其中I為輸出電流值，Value為主控制卡下傳的中間值。

其中I為輸出電流值。PWMout為輸出I時ARM控制器輸出的PWM值，PWM0和PWM10為校正后寫入鐵電存儲器的0mA和10mA時的PWM值。

III（4~20mA）型電流信號的具體計(jì)算公式與II型相似：

其中I為輸出電流值，Value為主控制卡下傳的中間值。

其中Im為輸出電流值。PWMout為輸出I時ARM控制器輸出的PWM值，PWM4和PWM20為校正后寫入鐵電存儲器的4mA和20mA時的PWM值。10.5.64通道模擬量智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

4通道模擬量輸出智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、PWM輸出程序、電流輸出值檢測程序、斷線檢測程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。10.616通道數(shù)字量輸入智能測控模塊（16DI）的設(shè)計(jì)10.6.116通道數(shù)字量輸入智能測控模塊的功能概述

16通道數(shù)字量信號輸入智能測控模塊，能夠快速響應(yīng)有源開關(guān)信號（濕接點(diǎn)）和無源開關(guān)信號（干接點(diǎn)）的輸入，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的準(zhǔn)確采集，主要用于采集工業(yè)現(xiàn)場的開關(guān)量狀態(tài)。

通過外部配電板可允許接入無源輸入和有源輸入的開關(guān)量信號。該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴信號類型及輸入范圍：外部裝置或生產(chǎn)過程的有源開關(guān)信號（濕接點(diǎn)）和無源開關(guān)信號（干接點(diǎn)）；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶同時測量16通道數(shù)字量輸入信號，各采樣通道之間采用光耦合器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑷通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，并將配置信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑸智能測控模塊設(shè)計(jì)具有低通濾波、通道故障自檢功能，可以保證智能測控模塊的可靠運(yùn)行。當(dāng)非正常狀態(tài)出現(xiàn)時，可現(xiàn)場及遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時報(bào)警提示。10.6.216通道數(shù)字量輸入智能測控模塊的硬件組成

16通道數(shù)字量輸入智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)字量信號的采集，其硬件組成框圖如圖10-24所示。

硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、數(shù)字量信號低通濾波電路、輸入通道自檢電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。圖10-2416通道數(shù)字量輸入智能測控模塊硬件組成框圖

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、TLP521光耦合器、TL431電壓基準(zhǔn)源、EtherCAT從站控制器等器件設(shè)計(jì)而成。

現(xiàn)場儀表層的開關(guān)量信號經(jīng)過端子板低通濾波處理，通過光電隔離，由ARM讀取數(shù)字量的狀態(tài)，經(jīng)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給主站。10.6.316通道數(shù)字量輸入智能測控模塊信號預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸入智能測控模塊信號預(yù)處理電路如圖10-25所示。圖10-2516通道數(shù)字量輸入智能測控模塊信號預(yù)處理電路10.6.416通道數(shù)字量輸入智能測控模塊信號檢測電路的設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸入智能測控模塊信號檢測電路如圖10-26所示，圖中只畫出了其中一組電路，另一組電路與此類似。10.6.516通道數(shù)字量輸入智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸入智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、數(shù)字量狀態(tài)采集程序、數(shù)字量輸入通道自檢程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。圖10-2616通道數(shù)字量輸入智能測控模塊信號檢測電路10.716通道數(shù)字量輸出智能測控模塊（16DO）的設(shè)計(jì)10.7.116通道數(shù)字量輸出智能測控模塊的功能概述

16通道數(shù)字量信號輸出智能測控模塊，能夠快速響應(yīng)控制卡輸出的開關(guān)信號命令，驅(qū)動配電板上獨(dú)立供電的中間繼電器，并驅(qū)動現(xiàn)場儀表層的設(shè)備或裝置。

該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴信號輸出類型：帶有一常開和一常閉的繼電器；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶具有16通道數(shù)字量輸出信號，各采樣通道之間采用光耦合器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑷通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，并將配置信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑸智能測控模塊設(shè)計(jì)每個通道的輸出狀態(tài)具有自檢功能，并監(jiān)測外配電電源，外部配電范圍22V~28V，可以保證智能測控模塊的可靠運(yùn)行。當(dāng)非正常狀態(tài)出現(xiàn)時，可現(xiàn)場及遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時報(bào)警提示。

16通道數(shù)字量輸出智能測控模塊性能指標(biāo)如表10-10所示。表10-1016通道數(shù)字量輸出智能測控模塊性能指標(biāo)輸入通道組間隔離，8通道一組通道數(shù)量16通道通道隔離任何通道間25VAC（47~53）Hz60s任何通道對地500VAC（47~53）Hz60s輸出范圍ON通道壓降≤0.3VOFF通道漏電流≤0.1mA10.7.216通道數(shù)字量輸出智能測控模塊的硬件組成

16通道數(shù)字量輸出智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)字量輸出信號的控制，其硬件組成框圖如圖10-27所示。

硬件電路主要由ARMCortexM4微控制器、光耦合器，故障自檢電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、TLP521光耦合器、TL431電壓基準(zhǔn)源、LM393比較器、EtherCAT從站控制器ET1100等器件設(shè)計(jì)而成。

現(xiàn)場儀表層的開關(guān)量信號經(jīng)過端子板低通濾波處理，通過光電隔離，ARM通過CAN總線接收控制卡發(fā)送的開關(guān)量輸出狀態(tài)信號，經(jīng)配電板送往現(xiàn)場儀表層，控制現(xiàn)場的設(shè)備或裝置。圖10-2716通道數(shù)字量輸出智能測控模塊硬件組成框圖10.7.316通道數(shù)字量輸出智能測控模塊開漏極輸出電路的設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸出智能測控模塊開漏極輸出電路如圖10-28所示。圖中只畫出了其中一組電路，另一組電路與此類似。

ARM微控制器的GPIO引腳輸出的16通道數(shù)字信號經(jīng)光耦合器TLP521進(jìn)行隔離。并且前8通道和后8通道輸出信號是分為兩組隔離的，分別接了不同的電源和地信號。同時，進(jìn)入光耦合器的數(shù)字信號經(jīng)上拉電阻上拉，以提高信號的可靠性。

考慮到光耦合器的負(fù)載能力，隔離后的信號再經(jīng)過MOSFET管FU120驅(qū)動，輸出的信號經(jīng)RC濾波后接到與之配套的端子板上，來直接控制繼電器的動作。圖10-2816通道數(shù)字量輸出智能測控模塊開漏極輸出電路10.7.416通道數(shù)字量輸出智能測控模塊輸出自檢電路的設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸出智能測控模塊輸出自檢電路如圖10-29所示。10.7.516通道數(shù)字量輸出智能測控模塊外配電壓檢測電路的設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸出智能測控模塊外配電壓檢測電路如圖10-30所示。

智能測控模塊的24V電壓是由外部配電產(chǎn)生的，為進(jìn)一步提高模板運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)了對外配電電壓信號的檢測電路，該設(shè)計(jì)中將外部配電電壓的檢測范圍設(shè)定為21.6V～30V，即當(dāng)智能測控模塊檢測到電壓不在此范圍之內(nèi)時，說明外部配電不能滿足模板的正常運(yùn)行，將點(diǎn)亮紅色LED燈報(bào)警。圖10-2916通道數(shù)字量輸出智能測控模塊輸出自檢電路圖10-3016通道數(shù)字量輸出智能測控模塊外配電壓檢測電路

由于智能測控模塊電源全部采用了冗余的供電方案來提高系統(tǒng)的可靠性，所以兩路外配電電壓分別經(jīng)端子排上的兩個引腳輸入。在圖10-30中是對一組外配電電壓的檢測電路，另外一組是完全相同的。

輸入電路采用電壓基準(zhǔn)源TL431C產(chǎn)生2.5V的穩(wěn)定電壓，輸出到電壓比較器LM393N的2和5引腳，分別作為兩個比較器件的一個輸入端，另外兩個輸入端則由外配電輸入的電壓經(jīng)兩電阻分壓后產(chǎn)生。

如圖10-30所示，比較器U1的同相端的輸入電壓為：

當(dāng)外配電電壓VC<30V時：

則U1P<2.5V，比較器U1輸出低電平，反之，U1輸出高電平。

比較器U2的反相端輸入電壓為：

當(dāng)外配電電壓VC>21.6V時：

則U2N>2.5V，比較器U2輸出低電平，反之，U2輸出高電平。

經(jīng)兩個比較器輸出的電平信號進(jìn)入光耦合器U3和U4，再經(jīng)或門74HC32輸出到微控制器的GPIO引腳PB0。即當(dāng)外配電電壓的范圍在21.6V~30V之間時，PB0口才為低電平，否則為高電平。10.7.616通道數(shù)字量輸出智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

16通道數(shù)字量輸入智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、數(shù)字量狀態(tài)控制程序、數(shù)字量輸出通道自檢程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。10.88通道脈沖量輸入智能測控模塊（8PI）的設(shè)計(jì)10.8.18通道脈沖量輸入智能測控模塊的功能概述

8通道脈沖量信號輸入智能測控模塊，能夠輸入8通道閥值電壓在0~5V、0~12V、0~24V的脈沖量信號，并可以進(jìn)行頻率型和累積型信號的計(jì)算。當(dāng)對累積精度要求較高時使用累積型組態(tài)，而當(dāng)對瞬時流量精度要求較高時使用頻率型組態(tài)。每一通道都可以根據(jù)現(xiàn)場要求通過跳線設(shè)置為0~5V、0~12V、0~24V電平的脈沖信號。

通過外部配電板可允許接入3種閥值電壓的脈沖量信號。該智能測控模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴信號類型及輸入范圍：閥值電壓在0~5V、0~12V、0~24V的脈沖量信號；⑵采用32位ARMCortexM4微控制器，提高了智能測控模塊設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；⑶同時測量8通道脈沖量輸入信號，各采樣通道之間采用光耦合器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)隔離的技術(shù)；⑷通過主控站模塊的組態(tài)命令可配置通道信息，并將配置信息存儲于鐵電存儲器中，掉電重啟時，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑸智能測控模塊設(shè)計(jì)具有低通濾波。10.8.28通道脈沖量輸入智能測控模塊的硬件組成

8通道脈沖量輸入智能測控模塊用于完成對工業(yè)現(xiàn)場脈沖量信號的采集，其硬件組成框圖如圖10-31所示。

硬件電路主要由ARMCortexM4微控制器、數(shù)字量信號低通濾波電路、輸入通道自檢電路、DIP開關(guān)、鐵電存儲器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和EtherCAT通信接口電路組成。圖10-318通道脈沖量輸入智能測控模塊硬件組成框圖

該智能測控模塊采用ST公司的32位ARM控制器STM32F407ZET6、6N136光耦合器、施密特反相器74HC14、EtherCAT等器件設(shè)計(jì)而成。

利用ARM內(nèi)部定時器的輸入捕獲功能，捕獲經(jīng)整形、隔離后的外部脈沖量信號，然后對通道的輸入信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。累積型信號持續(xù)計(jì)數(shù)，頻率型信號每秒計(jì)算一次，經(jīng)EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給主站。10.8.38通道脈沖量輸入智能測控模塊的程序設(shè)計(jì)

8通道脈沖量輸入智能測控模塊的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、脈沖量計(jì)數(shù)程序、數(shù)字量輸入通道自檢程序、EtherCAT通信程序、WDT程序等。10.9DCS系統(tǒng)可靠性與安全性技術(shù)10.9.1可靠性技術(shù)的發(fā)展過程

可靠性（Reliability）是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。產(chǎn)品的可靠性既是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出來的，也是管理出來的。因此，以可靠性設(shè)計(jì)、可靠性控制與可靠性評審等為主要內(nèi)容的可靠性管理，也就成為產(chǎn)品質(zhì)量管理工程中的重要組成部分。

20世紀(jì)20年代末，電話和以真空管為基礎(chǔ)的電子設(shè)備的規(guī)模應(yīng)用，直接啟動了可靠性工程的研究。

20世紀(jì)40年代，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，對提高武器系統(tǒng)的可靠性的迫切需求，進(jìn)一步刺激了可靠性工程的研究，其主要內(nèi)容是對產(chǎn)品的失效現(xiàn)象及其發(fā)生的概率進(jìn)行分析、預(yù)測、試驗(yàn)、評定和控制。

20世紀(jì)60年代，為配合復(fù)