面向工业控制的片上控制模块系统固件设计

发布时间：2017-04-09 19:04

  本文关键词：面向工业控制的片上控制模块系统固件设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当今,自动化控制系统在国民经济建设各行各业的运行过程中发挥着不可替代的作用,自动化发展水平已成为一个国家科技水平和综合国力的重要体现。随着自动控制技术应用领域的扩展,以PLC和DCS作为控制节点的传统控制系统解决方案暴露出结构复杂、设计门槛较高、成本较大等不足,对于IO数量需求较少的中小规模系统行业应用,亟需集成度更高、更为简单易用的核心控制模块与控制系统实现技术。片上控制模块由控制芯片、系统固件、用户组态程序等部分构成,输入输出、控制运算、工业通信、系统组态等均在单模块上实现,能够有效地降低自动控制系统的设计难度与工程实施成本。本文研究基于控制芯片进行系统固件设计,实现片上控制模块集成输入输出、控制运算、工业通信、系统组态等功能需求。为实现该目标,本文进行如下研究工作：1)针对PC端软件与片上控制模块通信交互的问题,设计交互通信协议,实现通信模块与系统服务接口；2)针对片上控制模块可灵活应用于不同场合的需求,提出硬件运行参数可配置的设计方法；3)针对片上控制模块组态需求,设计系统组态服务、组态数据存储结构以及程序校验与加载流程；4)通过研究常见调度算法,设计并实现了用户程序调度算法；5)针对某些控制运算硬件实现存在设计复杂、资源消耗大、可扩展性差等不足,提出部分控制运算固件实现的设计方法；6)针对片上控制IO的管理功能需求,实现片上控制10管理单元；7)针对用户程序访问设备通信总线的需求,提出设备通信开放方案,并将该方案应用于Modbus开发应用中；8)针对片上控制模块在线升级需求,设计文件下载服务与程序文件存储、起效方法；9)构建测试验证平台,并对系统功能进行测试。本文首先对系统整体结构进行设计,接着详细论述系统固件核心模块的设计与实现,并构建系统功能测试验证环境,对系统功能进行测试验证。测试结果表明,系统功能满足应用需求,达到预期的设计目标。
【关键词】：通信交互服务 硬件配置 片上控制模块系统组态 用户程序调度 设备通信开放方案设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 引言12-16
• 1.1.1 课题背景及意义12-14
• 1.1.2 国内外研究现状14-16
• 1.1.3 固件介绍16
• 1.2 研究目标及内容16-18
• 1.3 本文结构安排18-20
• 第二章 系统简介与固件总体设计20-32
• 2.1 系统简介20-23
• 2.1.1 工业控制系统20-21
• 2.1.2 片上控制模块21-23
• 2.1.3 控制芯片23
• 2.2 固件总体设计与问题分析23-30
• 2.2.1 总体设计24-25
• 2.2.2 核心问题与设计方法论述25-30
• 2.3 本章小结30-32
• 第三章 系统固件核心模块设计32-66
• 3.1 交互服务设计32-40
• 3.1.1 交互接口选定与交互模型设计33-34
• 3.1.2 通信协议格式设计34-36
• 3.1.3 慢速接口与高速接口模块设计36-37
• 3.1.4 多客户端并发访问设计37
• 3.1.5 通信模块软件层次化设计37-39
• 3.1.6 系统服务访问接口设计39-40
• 3.2 硬件配置设计40-45
• 3.2.1 配置数据管理与加载40-42
• 3.2.2 配置应用设计方法42-45
• 3.3 系统组态设计45-48
• 3.3.1 系统组态服务45-46
• 3.3.2 用户组态数据管理46-48
• 3.3.3 程序校验与加载48
• 3.4 用户程序调度器设计48-51
• 3.4.1 调度算法49
• 3.4.2 用户程序调度算法设计49-51
• 3.5 固化控制功能块机制设计51-56
• 3.5.1 交互机制设计52-53
• 3.5.2 实现机制设计53-54
• 3.5.3 设计实例54-56
• 3.6 片上控制IO管理设计56-57
• 3.7 设备通信开放应用方法设计57-60
• 3.7.1 开放方案提出58-59
• 3.7.2 开放方案应用59-60
• 3.8 文件下载与在线升级设计60-64
• 3.8.1 文件下载服务61-62
• 3.8.2 系统固件升级与起效62-64
• 3.9 本章小结64-66
• 第四章 系统功能测试验证66-80
• 4.1 验证测试环境简介66-70
• 4.2 功能模块测试验证70-79
• 4.2.1 交互服务功能测试70-73
• 4.2.2 硬件配置功能测试73-74
• 4.2.3 用户组态与调度管理功能测试74-76
• 4.2.4 固化控制功能块与片上控制IO功能测试76-77
• 4.2.5 设备通信总线Modbus开放应用测试77-78
• 4.2.6 文件下载与在线升级功能测试78-79
• 4.3 本章小结79-80
• 第五章 总结与展望80-82
• 参考文献82-84

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