嵌入式控制系统在工业控制中的应用演示教学.pdf

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1、 嵌入式控制系统在工业控制中的应用 精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 嵌入式控制系统在工业控制中的应用 作者：覃 颖 来源：电脑知识与技术2010 年第 05 期 摘要:嵌入式控制系统是一种面向具体应用的将底层硬件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计算机系统,它已经用于各种工业控制中。该文首先简要介绍了工业控制中控制器的广泛应用,随后介绍了嵌入式系统的结构。最后从硬软件设计方面讨论了一款用于工业控制的嵌入式控制系统的开发过程。关键词:嵌入式控制器;工程机械;控制 中图分类号:TP391文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)05-1227-02 嵌入式系统在生产

2、制造,工业控制中有广泛的用途。目前,在工业控制中嵌入式控制系统正朝着高速、高集成度和低功耗方向发展。研究嵌入式控制系统,对于提高工业控制质量,提高生产效率具有重要意义。1 嵌入式系统的特点与结构 嵌入式技术广泛应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表和办公自动化等领域。在个人领域中,嵌入式产品将主要是个人使用,作为个人移动的数据处理和通信软件。对于企业专用解决方案,如物流管理、条码扫描、移动信息采集等,小型手持嵌入式系统将发挥巨大作用。嵌入式系统不仅可以用于 ATM机,自动售货机,工业控制等专用设备,而且和移动通信设备、GPS、娱乐相结合1。还有一些其他微处理器,如 ARM

3、SA-1100 系列是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择,已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品中。PXA270则应用于高端移动设备中,通过复杂指令集,提高了其媒体的信息处理能力。总体上看,嵌入式控制系统有以下特点:系统内核小,专用性强,系统精简,多任务高实时性操作和专用开发工具和环境。嵌入式系统具有“嵌入性”、“专用性”、“计算机”的基本要素和特征2。其一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或者管理等功能。它们的结构图可以概括如图 1 所示。2 嵌入式控制系统的设计过程 由嵌入式控制系统的组成,可知嵌入式控制系统的设

4、计主要考虑硬件设计和操作系统设计。2.1 处理器选型 工业中嵌入式控制器的应用较为广泛,由于处理器是控制器的核心,因此不同类型的处理器有着不同的应用基础。嵌入式处理器主要分为四类,嵌入式微处理器,嵌入式微控制器,嵌入式DSP,嵌入式片上系统 SOC3。但是随着工业控制中对嵌入式控制系统要求越来越高,控制算法越来越复杂,目前形成了以 ARM微处理器应用最广泛的现状。该系列的处理器中,ARM7 主要应用于工业控制、Internet 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 用中;ARM9主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、

5、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等;ARM10E 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工艺控制、图形和信息系统等领。本文以 Philips 公司的 LPC2880 芯片为处理器,它是ARM7系列中的一员,它具有以下特点:8kB 高速缓存,64kB SRAM,工作频率可达 60MHz;外部存储器控制器支持 flash,SRAM,ROM,和 SDRAM;2 个带可选预分频器的 32 位定时器;Boot ROM允许执行 flash代码、外部代码;允许通过 USB 进行 flash 编程等。2.2 电源电路设计 LPC2880 处理器芯片内核芯片需要工作电压为 1.8V,I/

6、0 接口的工作电压为 3.3V,以高电压为判断依据,因此系统应设计成 3.3V 应用系统。其实现方法如下:用一个 220V到 9V的变压器将办公用电转换成直流 9V电源,然后将 9V直流电源由从另一电源接口输入,并使用二极管用来防止电源反接,经过二次滤波后,通过由美国国家半导体公司生产的 LM2575开关电源芯片将电源稳压到 5V。最后将 5V电源经过低压差电源芯片稳压输出为 3.3V和 1.8V电压。其中低压差电源芯片可以采用 Sipex公司生产的 SPX1117 系列芯片 SPX1117M3-3.3和 SPX1117M3-1.8,其特点为输出电流大,输出电压精度高,稳定性高。精度在正负1%

7、,还具有电流限制和热保护功能。2.3 系统时钟电路,复位电路的设计 时钟电路在嵌入式控制系统中往往因为市场而决定,在工业控制中,由于机械造价昂贵,嵌入式系统中设计时钟电路就可以控制机械的运行时间,迫使买家按时付款4。对于 LPC2880 处理器而言,通过内部 PLL电路可调整系统时钟,使系统运行速度更,达到最高运行频率即 60MHz,它可使用外部晶振或外部时钟源。若不使用片内 PLL功能,则外部晶振频率为 130MHz,外部时钟频率为 150MHz,若使用片内 PLL功能,则外部晶振频率为 1025MHz,外部时钟频率为1025MHz。对于复位电路,其设计一定要使系统能够充分复,保证系统可靠工

8、作,因为 LPC2880芯片具有高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低的特点,使得其对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等有更高的要求。复位电路的设计一定要使系统能够充分复位,保证在各种复杂情况下稳定可靠的工作。本文中复位电路采用由 CATALYST 公司生产的专用电源监控芯片 CAT1025JI-30(复位门槛电压为 3.03.15V)。2.4 操作系统设计 一个实时操作系统在应用之前,首先要做的工作是将该实时操作系统移植到该微处理器上,所谓移植,就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。本系统采用 uC/OS-II,对它的移植就是对对 uC/OS-II中与

9、处理器有关的代码进行重写或修改。尽管 C/OS-II的大部分源代码都是用 C语言写成的,但是嵌入式控制系统和硬件密切相关,因此处理器必须满足如下要求:C编译器能产生可重入代码,在程序中可以打开或关闭中断,处理器支持中断,并且能产生定时中断,处理器支持能够容纳一定量数据的硬件堆栈,处理器有将堆栈指针和其他 CPU 寄存器存储和读出到堆栈(或者内存)的指令。对于 LPC2880 处理器,移植 uC/OS-II内核的主要内容是:用#define声明若干个个宏和若干个(根据具体需要而设计)与编译器相关的数据类型,并用#define设置一个常量的值,编写若干个与操作系统相关的函数,用汇编语言编写若干个个

10、与处理器相关的函数5。具体过程如下:1)移植 OS_CPU.H。包括定义数据类型,C/OS-II不使用 C语言中的short、int和 long等基本数据类型的定义,代之以移植性强的整数数据类型;临界代码的使用,C/OS-II在进入系统临界代码区之前要关闭中断,等到退出临界区后再打开,它是通过精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 OS_ENTER_CIRTICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()这两个宏来实现的。实现关闭中断的方法有多种,如在 OS_ENTER_CIRTICAL()中调用处理器指令关中断,在 OS_EXIT_CRITICAL()中调用相应处理器指令开中断;

11、执行 OS_ENTER_CIRTICAL()时,先将中断状态保存到堆栈中,然后关中断,而当执行 OS_EXIT_CRITICAL()时,再从堆栈中恢复原来的中断开/关状态等;2)移植OS_CPU_C.C。主要有 6个函数在文件:OSTaskStkInit(),OSTaskCreateHook(),OSTaskSwHook(),OSTaskDelHook(),OSTaskStatHook(),OSTimeTickHoo();3)OS_CPU_A.ASM文件。需要改写的汇编语言函数有四个:OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。2.5

12、 人机交互模块设计 在工业控制中,有大量的生产控制信息需要实施被操作人员所掌握,这些信息主要在控制系统的 LED 面板上现实。其基本信息包括参数值(如速度,进给量、工件统计),X轴、Y轴坐标值(含 X 轴、Y 轴运行方向指示),控制方式指示(自动、半自动、调校)等。通过这些信息,操作人员可以完成对现场设备的组态配置,数据集中处理,工作状态监控等功能。现在很多公司提供功能丰富的组态软件,如 Vincc、力控 PCAuto、组态王等。主要工作是创建液晶显示接口函数,创建过程如下:定义 void LCD_Cls(),在 LCD的显示屏中显示液晶初始化后,液晶的主界面;定义 void LCD_Init

13、(void),用于初始化设置,主要是对显示区域的设置和显示方式的设置;定义 void LCD_Refresh(),用于更新 LCD 的显示,把需要显示的内容更新到 LCD的显示屏上;定义 void LCD_BkLight(),用于打开或者关闭 LCD 的背光;定 void LCD_DisplayOpen(),用于打开或者关闭LCD 显示。当前,工程控制中的人机界面越来越人性化,具有可操作性和可理解性。因此将人机界面信息由传统的单文字形式转化为图形界面是嵌入式控制系统的必要工作。有些处理器,如S3C44BOX处理器本身也带有液晶控制系统,其外围设备只需要配备液晶显示器,用控制信号线将显示器和控制

14、器连接即可。2.6 键盘按键的程序设计 工业控制系统中,人和机器需要实现信息的交互,即人通过操作界面对机械发出指令。嵌入式系统已经实现了较为人性化的设计,即通过键盘,结合液晶显示,将指令传达给控制器,实现真正意义上的人机交互功能。按键的主要功能可以分为:暂停键,复位键,开始键,分别实现按下此键来暂停运动或程序执行,当程序执行过程或着运动中出现异常情况,按下此键可以终止一切,暂停后按下此键来恢复运动或程序继续执行等指示。这三个状态可以在液晶显示屏上显示。另外,嵌入式控制系统还需要提供上下翻页,树状上翻下翻等功能,这主要是因为嵌入式系统的液晶现实面,不可能不能一次完全把所有程序运行状态或者参数全部

15、显示出来,所以利用上翻和下翻键进行查看。在处理器中键盘控制由一个函数(GetKey(INT16S*key)控制,它用于检测键盘是否有键被按下,如果有,就得到按键值并返回。通常需要频繁的调用该函数,对键盘进行轮询,以检测是否有按键被按下。如果有按键被按下,则返回 TRUE;否则返回 FALSE。3 总结 精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 工业生产规模的扩大与生产过程的复杂化,对控制系统的实时性、可靠性提出了更高的要求。嵌入式控制系统实现了计算机的微小化控制,对于提高工业控制的准确,实现快速反应和规模化机械生产具有重要意义。本嵌入式工程机械控制系统以 S3C44BOX芯片为控制器,以

16、uC/OS-II为操作系统,以 LCD 显示器进行显示,配有时钟,输入键盘,数据存储器以及多种数据通讯接口。在实践中,以该处理器为基础的控制器具有成本低,系统移植简单,强操作性和升级性等特点,可以满足不同机型的工程机械使用。参考文献:1 王田苗.嵌入式系统设计与开发实例M.北京:清华大学出版社,2003.2 蔡明征,汪海生,徐小龙,等.嵌入式微处理器在工程机械控制系统中的应用J.筑路机械与施工机械化,2006(9).3 马忠梅.ARM 嵌入式处理器结构与应用基础M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.4 马维华.嵌入式系统原理及应用M.北京:北京邮电大学出版社,2006 5 王孙安,张进华.基于 ARM 开放式数控技术研究J.北京:现代制造工程,2007(9).6 田泽.嵌入式系统开发与应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2005.