基于RT-Thread的嵌入式网络控制器软件设计

发布时间：2020-08-21 12:30

【摘要】：当代世界正面临着新一轮的工业改革,嵌入式技术也必须与互联网相结合,并进一步趋于智能化。顺应这一大趋势,设计了一种基于RT-Thread的嵌入式网络控制器,软件设计可分为下位机和上位机两个部分,旨在为用户提供一个二次开发平台,实现对小型设备进行实时控制和数据采集。下位机软件设计方面,将下位机软件框架分为四层:用户层、API层、RT-Thread层、驱动层。针对以往嵌入式开发过程可移植性差、扩展性低、实时性不高的缺点,本文基于RT-Thread实时操作系统进行设计,应用多线程的工作模式,提高了嵌入式控制器的可移植性和实时性。另一方面,针对用户二次开发的需求,为用户封装了函数库,设计API供用户调用。其中,针对用户不了解梯形图编程语言的情况,设计了可编程逻辑控制API,设计数字量输入输出接口,采用节点连接逻辑识别的方式,使用户可以直接对该API进行参数设置,最终在控制器上实现自己的电路逻辑。另外,采用系统时钟进行高精度时间采样,实现PID算法控制,用户调用PID算法控制API,配置参数后即可实现对输出量的实时调节,实现自动控制。此外,为了顺应下一代互联网络趋势,同时满足用户可以通过网络实时采集控制器数据的需求,本文设计网络通信模块支持IPv4/IPv6协议,设计嵌入式网络控制器为基于TCP协议的服务器端,采用并发多线程服务器模型进行软件设计,实现了多个客户端可以通过网络通信对控制器的数据采集与监测。上位机软件设计方面,为了满足用户实时观测、存储下位机采集数据结果的需求,选用C#语言,采用Winform框架,引入Iocomp外部工业控件库,设计了上位机软件UI界面。另外,为了给用户提供直观数据观测功能与便捷的数据处理功能,本文实现了数据显示与图形显示功能,通过数据的实时发送和接收实现了数据的动态与静态分析。此外,采用SQLite嵌入式数据库进行数据存储,实现了数据的再处理功能,最终用户可以通过上位机实现对控制器外的接设备进行数据采集和监测。最后,对嵌入式网络控制器进行下位机的可编程逻辑控制功能、上位机数据采集监测功能以及整体的网络通信功能进行测试,测试结果验证了本文设计的嵌入式网络控制器的实际应用价值。
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;TP393.09
【图文】：

有重要的实际意义。逡逑１．２国内外研究现状逡逑嵌入式系统经过了将近半个世纪的发展，大概可以分为四个基本阶段（图１）。逡逑可以看出，嵌入式技术的发展与嵌入式操作系统和互联网联系紧密。逡逑近年嵌入式领域开发人员对该领域进行了不断的研究与探索，在不同的应用领域逡逑使嵌入式网络控制器大放异彩，提出了设计理念的同时了实现不同的功能（戴丽萍，逡逑２０１７）。逡逑在工业领域，控制器类别大致分为：可编程逻辑控制器（ＰＬＣ），可编程自动化控逡逑制器（ＰＡＣ）和工控机（ＩＰＣ）等类型，根据不同的实际需求与系统的复杂程度应用逡逑在不同场合（朱伟，２０１２）。工业上使用ＰＬＣ主要用于输入输出类型的机械控制和生逡逑产场合，ＰＬＣ拥有自己的编程规则和编程语言，有齐全的硬件设备，用户可以根据自逡逑己的需求来进行编程使用。ＰＡＣ则是涵盖了邋ＰＬＣ的主要功能并拥有更强大的控制能逡逑力

图２整体工作框架图逡逑Ｆｉｇ．２邋Ｏｖｅｒａｌｌ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｆｒａｍｅ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑２．２下位机软件架构设计逡逑针对应用中的实用性与ＲＴ－Ｔｈｒｅａｄ操作系统的特性，设计了四层架构（图３）。逡逑四层从上到下：用户层一ＡＰＩ层一ＲＴ－Ｔｈｒｅａｄ层一驱动层，最终由驱动层控制硬逡逑件资源。逡逑用户层是用户的使用平台，拥有Ｃ语言基础的开发人员即可以对设计的嵌逡逑入式网络控制器进行二次开发，这里将用户层，即用户可操作的编程空间限制在逡逑ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ｃ文件中，适应ＲＴ－Ｔｈｒｅａｄ操作系统的启动特点，用户在该空间进行逡逑ＡＰＩ调用，进行参数设置，这时用户所设置的相关参数，就会传到下一层：ＡＰＩ逡逑层。逡逑ＡＰＩ层是整个软件设计的重点，其中主要包括了三个模块：可编程逻辑控制逡逑模块、ＰＩＤ算法控制模块、网络通信模块，另外还有其他小型模块，如ＰＷＭ模逡逑块等。此时位于这一层的ＡＰＩ函数己经接收到了从用户层传来的具体配置参数，逡逑

图４上位机软件架构图逡逑Ｆｉｇ．４邋ＰＣ邋ｓｏｆｔｗａｒｅ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑．４本章小结逡逑本章主要讲述了控制器需求分析与框架设计思路，其中包括了总体框架与框架，软件设计框架分为上位机与下位机部分。通过对实际需求以及实际项析，基于ＲＴ－Ｔｈｒｅａｄ操作系统，提出了四层软件架构：用户层、ＡＰＩ层、ＲＴ－、驱动层，设计该层次结构使软件设计合理可行，采用层层递进的方式实现源的控制，以从下到上的层次顺序逐章进行设计实现，其中用户层作为用户，在这里不做赘述，本文阐述的最高层为ＡＰＩ层。上位机方面，基于控制器点进行框架设计，其中主要包括图形数据分析模块、数据采集和数据库操作体设计与实现在后文会有描述。以上框架经实际设计验证均合理可行，接下位机开始对各层进行阐述。逡逑

【参考文献】

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本文编号：2799380