第9章基于現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS的設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在DCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與中心控制室的信號(hào)由模擬傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字傳輸，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。本章以基于現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的新型DCS為設(shè)計(jì)實(shí)例，首先對(duì)新型DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行了概述，然后講述了現(xiàn)場(chǎng)控制站的組成、新型DCS通信網(wǎng)絡(luò)、新型DCS控制卡的硬件設(shè)計(jì)、新型DCS控制卡的軟件設(shè)計(jì)和控制算法的設(shè)計(jì)，同時(shí)詳細(xì)講述了8通道模擬量輸入板卡（8AI）、8通道熱電偶板卡（8TC）、8通道熱電阻板卡（8RTD）、4通道模擬量輸出板卡（4AO）、16通道數(shù)字量量輸入板卡（16DI）、16通道數(shù)字量輸出板卡（16DO）和8通道脈沖量量輸入板卡（8PI）的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

9.1新型DCS概述新型DCS的總體結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。圖9-1新型DCS的總體結(jié)構(gòu)DCS現(xiàn)場(chǎng)控制層是整個(gè)新型DCS控制系統(tǒng)的核心部分，控制卡處于監(jiān)控管理層與現(xiàn)場(chǎng)控制層內(nèi)測(cè)控板卡之間的位置，是整個(gè)DCS的通信樞紐和控制核心?？刂瓶ǖ墓δ苤饕性谕ㄐ藕涂刂苾蓚€(gè)方面，通信方面需要確定系統(tǒng)的通信方式，構(gòu)建系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足通信方面的速率、可靠性和實(shí)時(shí)性等要求；控制方面需要確定系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制規(guī)模、系統(tǒng)的容量和控制速度等。具體而言，控制卡應(yīng)滿足如下要求。1．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(cè)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(cè)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(cè)控板卡的故障信息等等。由于控制卡與監(jiān)控管理層之間的通信信息量較大，且對(duì)通信速率有一定的要求，所以選擇以太網(wǎng)作為與監(jiān)控層的通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，為提高通信的可靠性，對(duì)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)做冗余處理，采用兩條并行的以太網(wǎng)通信網(wǎng)路構(gòu)建與監(jiān)控管理層的通信網(wǎng)絡(luò)。9.1.1通信網(wǎng)絡(luò)的要求2．控制卡與測(cè)控板卡之間的通信

控制卡與測(cè)控板卡之間的通信信息包括測(cè)控板卡及通道的組態(tài)信息、通道的采樣信息、來(lái)自上位機(jī)和控制卡控制算法的輸出控制信息，以及測(cè)控板卡的狀態(tài)和故障信息等等。由于DCS控制站內(nèi)的測(cè)控板卡是已經(jīng)開(kāi)發(fā)好的模塊，且固定采用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN進(jìn)行通信，所以與控制站內(nèi)的測(cè)控板卡間的通信采用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN進(jìn)行。同樣為提高通信的可靠性需對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)做一定的冗余處理，但測(cè)控板卡上只有一個(gè)CAN收發(fā)器，無(wú)法設(shè)計(jì)為并行冗余的通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)此，將單一的CAN通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為雙向的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)，這樣可以有效避免通信線斷線對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的影響。1．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(hào)，目前的測(cè)控板卡類型共有7種，分別是8通道模擬量輸入板卡（支持0~10mA、4~20mA電流信號(hào)，0~5V、1~5V電壓信號(hào)）、4通道模擬量輸出板卡（支持0~10mA、4~20mA電流信號(hào)）、8通道熱電阻輸入板卡（支持Pt100、Cu100、Cu50共3種類型的熱電阻信號(hào)）、8通道熱電偶輸入板卡（支持B型、E型、J型、K型、R型、S型、T型共7種類型的熱電偶信號(hào)）、16通道開(kāi)關(guān)量輸入板卡（支持無(wú)源類型開(kāi)關(guān)信號(hào)）、16通道開(kāi)關(guān)量輸出板卡（支持繼電器類型信號(hào)）、8通道脈沖量輸入板卡（支持脈沖累計(jì)型和頻率型兩種類型的數(shù)字信號(hào)）。9.1.2通信網(wǎng)絡(luò)的要求控制功能的要求這7種類型測(cè)控板卡的信號(hào)可以概括為4類：模擬量輸入信號(hào)（AI）、數(shù)字量輸入信號(hào)（DI）、模擬量輸出信號(hào)（AO）、數(shù)字量輸出信號(hào)（DO）。在板卡數(shù)量方面，本系統(tǒng)要求可以支持4個(gè)機(jī)籠，64個(gè)測(cè)控板卡。根據(jù)前述各種類型的測(cè)控板卡的通道數(shù)可以計(jì)算出本系統(tǒng)需要支持的點(diǎn)數(shù)：512個(gè)模擬輸入點(diǎn)、256個(gè)模擬輸出點(diǎn)、1024個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)和1024個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)。點(diǎn)容量直接影響到本系統(tǒng)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)空間。2．系統(tǒng)的控制回路容量

系統(tǒng)的控制功能可以經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)直接控制輸出裝置完成，但更重要的控制功能則由控制站的控制卡自動(dòng)執(zhí)行。自動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)可以支持255個(gè)由功能框圖編譯產(chǎn)生的控制回路，包括PID、串級(jí)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(chǔ)空間。3．控制算法的解析及存儲(chǔ)以功能框圖形式表示的控制算法（即控制回路）通過(guò)以太網(wǎng)下載到控制卡時(shí)，并不是一種可以直接執(zhí)行的狀態(tài)，需要控制卡對(duì)其進(jìn)行解析。而且系統(tǒng)要求控制算法支持在線修改操作，且掉電后控制算法信息不丟失，在重新上電后可以加載原有的控制算法繼續(xù)執(zhí)行。這要求控制卡必須自備一套解析軟件，能夠正確解析以功能框圖形式表示的控制算法，還要擁有一個(gè)具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的存儲(chǔ)裝置，并且能夠以有效的形式對(duì)控制算法進(jìn)行存儲(chǔ)。4．系統(tǒng)的控制周期系統(tǒng)要在一個(gè)控制周期內(nèi)完成現(xiàn)場(chǎng)采樣信號(hào)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(cè)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。1．雙機(jī)冗余配置為增加系統(tǒng)的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)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)。考慮到目前本系統(tǒng)所處DCS控制站中機(jī)籠的固定設(shè)計(jì)格式及對(duì)故障切換時(shí)間的要求，本系統(tǒng)中將采用主從式雙機(jī)熱備方式。這要求兩臺(tái)控制裝置必須具有自主判定主從身份的機(jī)制，而且為滿足熱備的工作要求，兩臺(tái)控制裝置間必須要有一條通信通道完成兩臺(tái)裝置間的信息交互和同步操作。9.1.3系統(tǒng)可靠性的要求2．故障情況下的切換時(shí)間要求處于主從式雙機(jī)熱備狀態(tài)下的兩臺(tái)控制裝置，不但要運(yùn)行自己的應(yīng)用，還要監(jiān)測(cè)對(duì)方的工作狀態(tài)，在對(duì)方出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并接管對(duì)方的工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)工作。本系統(tǒng)要求從對(duì)方控制裝置出現(xiàn)故障到發(fā)現(xiàn)故障和接管對(duì)方的工作不得超過(guò)1秒。此要求涉及雙機(jī)間的故障檢測(cè)方式和故障判斷算法。

1．雙電源冗余供電系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)是電源，電源的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)正常工作至關(guān)重要，而且現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)裝置都是工作在連續(xù)不間斷狀態(tài)，因此，供電電源必須要滿足這一要求。所以，控制卡要求供電電源冗余配置，雙線同時(shí)供電。2．故障記錄與故障報(bào)告為了提高系統(tǒng)的可靠性，不僅要提高平均無(wú)故障時(shí)間，而且要縮短平均故障修復(fù)時(shí)間，這要求系統(tǒng)要在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并向上位機(jī)報(bào)告故障情況。當(dāng)?shù)讓訙y(cè)控板卡或通道出現(xiàn)故障時(shí)，在控制卡向測(cè)控板卡索要采樣數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)控板卡會(huì)優(yōu)先回送故障信息。9.1.4其它方面的要求3．人機(jī)接口要求工作情況下的控制卡必須要有一定的狀態(tài)指示，以方便工作人員判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中包括與監(jiān)控管理層上位機(jī)的通信狀態(tài)指示、與測(cè)控板卡的通信狀態(tài)指示、控制裝置的主從身份指示、控制裝置的故障指示等等。這要求控制卡必須要對(duì)外提供相應(yīng)的指示燈指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。9.2現(xiàn)場(chǎng)控制站的組成新型DCS控制系統(tǒng)分為3個(gè)層：監(jiān)控管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、現(xiàn)場(chǎng)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(gè)工程師站，工程師站兼有操作員站的職能?，F(xiàn)場(chǎng)控制層由主從控制卡和測(cè)控板卡構(gòu)成，其中控制卡和測(cè)控板卡全部安裝在機(jī)籠內(nèi)部。現(xiàn)場(chǎng)儀表層由配電板和提供各種信號(hào)的儀表構(gòu)成。控制站包括現(xiàn)場(chǎng)控制層和現(xiàn)場(chǎng)儀表層。一套DCS系統(tǒng)可以包含幾個(gè)控制站，包含2個(gè)控制站的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9-2所示。9.2.1

2個(gè)控制站的DCS結(jié)構(gòu)圖9-2包含2個(gè)控制站的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖9-3安裝有主從控制卡的滿載機(jī)籠安裝有主從控制卡的滿載機(jī)籠如圖9-3所示。每種類型的測(cè)控板卡都有相對(duì)應(yīng)的配電板，配電板不可混用。各種測(cè)控板卡允許輸入和輸出的信號(hào)類型如表9-1所示。9.2.2DCS測(cè)控板卡的類型表9-1各種測(cè)控板卡允許輸入和輸出的信號(hào)類型板卡類型信號(hào)類型測(cè)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(hào)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(wú)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(wú)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℃表9-1各種測(cè)控板卡允許輸入和輸出的信號(hào)類型（續(xù)表）板卡類型信號(hào)類型測(cè)量范圍備注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(hào)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(wú)III型電流4~20mA16通道數(shù)字量輸入板卡（16DI）干接點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合、斷開(kāi)需要根據(jù)外接信號(hào)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(kāi)無(wú)9.3新型DCS通信網(wǎng)絡(luò)通信方面，上位機(jī)與控制卡間的通信方式為以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與工程師站、操作員的通信，這也是上位機(jī)與控制卡之間唯一的通信方式?？刂瓶ㄅc底層測(cè)控板卡間的通信方式為通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN實(shí)現(xiàn)與底層測(cè)控板卡的通信，這也是控制卡與測(cè)控板卡之間唯一的通信方式。為了增加通信的可靠性，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)做了冗余處理。新型DCS通信網(wǎng)絡(luò)如圖9-4所示。圖9-4新型DCS通信網(wǎng)絡(luò)控制卡與上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)除了需要網(wǎng)線外，還需要一臺(tái)集線器。將上位機(jī)和控制卡的所有網(wǎng)絡(luò)接口全部接入集線器。以太網(wǎng)實(shí)際連接網(wǎng)絡(luò)如圖9-5所示。9.3.1以太網(wǎng)實(shí)際連接網(wǎng)絡(luò)圖9-5以太網(wǎng)實(shí)際連接網(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(duì)通信線斷線對(duì)系統(tǒng)通信造成的影響。在只有一個(gè)CAN收發(fā)器組建的單向通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)通信線出現(xiàn)斷線時(shí)，便失去了與斷線處后方測(cè)控板卡的聯(lián)系。雙CAN組建的環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，當(dāng)通信線出現(xiàn)斷線時(shí)，之前的正向通信已經(jīng)無(wú)法與斷線處后方的測(cè)控板卡聯(lián)系，此時(shí)改換反向通信，便可以實(shí)現(xiàn)與斷線處后方測(cè)控板卡的通信。雙CAN組建的非閉合環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖9-6所示。9.3.2雙CAN網(wǎng)絡(luò)圖9-6雙CAN組建的非閉合環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)原理圖圖9-7雙CAN網(wǎng)絡(luò)連線圖實(shí)際的雙CAN網(wǎng)絡(luò)連線圖如圖9-7所示。9.4新型DCS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(gè)DCS現(xiàn)場(chǎng)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(duì)底層信號(hào)的檢測(cè)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(shí)控制卡也可以自動(dòng)執(zhí)行控制方案。通信方面，控制卡通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN實(shí)現(xiàn)與底層測(cè)控板卡的通信，通過(guò)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(gè)機(jī)籠，64個(gè)測(cè)控板卡和255個(gè)控制回路。系統(tǒng)以最大規(guī)模運(yùn)行，除了會(huì)占用一定的RAM空間外，并不會(huì)影響系統(tǒng)的速度和性能。255個(gè)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?？刂瓶ㄒ許T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?？刂瓶ǖ臉?gòu)成大致可以劃分為6個(gè)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9-8所示。9.4.1控制卡的硬件組成表1-5IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)收錄的工業(yè)以太網(wǎng)STM32F407ZG內(nèi)核的最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到168MHz，而且還集成了單周期DSP指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和控制。W5100是WIZnet公司推出的一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet連接。W5100與IEEE802.310BASE-T和802.3u100BASE-TX兼容。W5100內(nèi)部集成了全硬件的、且經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗(yàn)證的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE，這些協(xié)議已經(jīng)在很多領(lǐng)域經(jīng)過(guò)了多年的驗(yàn)證。W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口編程。

9.4.2

W5100網(wǎng)絡(luò)接口芯片圖9-9W5100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。W5100與MCU接口非常簡(jiǎn)單，就像訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器一樣。W5100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖9-9所示。W5100的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可用于下面多種嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品。家用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：機(jī)頂盒，PVRs，數(shù)字媒體適配器串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)：訪問(wèn)控制，LED顯示器，無(wú)線AP等并行轉(zhuǎn)以太網(wǎng)：POS/Mini打印機(jī)，復(fù)印機(jī)USB轉(zhuǎn)以太網(wǎng)：存儲(chǔ)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)GPIO轉(zhuǎn)以太網(wǎng)：家用網(wǎng)絡(luò)傳感器安防系統(tǒng)：DVRs，網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)，終端機(jī)工業(yè)和樓宇自動(dòng)化醫(yī)用檢測(cè)設(shè)備嵌入式服務(wù)器W5100具有如下特點(diǎn)：支持全硬件TCP/IP協(xié)議：TCP，UDP，ICMP，IPv4ARP，IGMP，PPPoE，Ethernet內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層支持自動(dòng)應(yīng)答（全雙工/半雙工模式）支持自動(dòng)MDI/MDIX支持ADSL連接（支持PPPoE協(xié)議，帶PAP/CHAP驗(yàn)證）支持4個(gè)獨(dú)立端口內(nèi)部16K字節(jié)存儲(chǔ)器作TX/RX緩存0.18mCMOS工藝3.3V工作電壓，I/O口可承受5v電壓小巧的LQFP80無(wú)鉛封裝多種PHY指示燈信號(hào)輸出（TX，RX，F(xiàn)ull/Halfduplex，Collision，Link，Speed）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(gè)控制卡具有完全相同的軟硬件配置，上電時(shí)同時(shí)運(yùn)行，并且一個(gè)作為主控制卡，一個(gè)作為從控制卡。主控制卡可以對(duì)測(cè)控板卡發(fā)送通信命令，并接收測(cè)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(duì)測(cè)控板卡發(fā)送通信命令。控制卡的雙機(jī)冗余電路如圖9-10所示。9.4.3雙機(jī)冗余電路的設(shè)計(jì)圖9-10控制卡的雙機(jī)冗余電路由于控制算法運(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(chǔ)。所以，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)。但后期通過(guò)將控制算法的存儲(chǔ)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(chǔ)功能，所以，必須對(duì)外擴(kuò)的SRAM做一定的處理，使其也具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。CY62177EV30與STM32F407ZG連接圖如圖9-11所示。9.4.4存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)圖9-11CY62177EV30與STM32F407ZG的連接圖9.5新型DCS控制卡的軟件設(shè)計(jì)控制卡采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，該軟件的開(kāi)發(fā)具有確定的開(kāi)發(fā)流程。軟件的開(kāi)發(fā)流程甚至與任務(wù)的多少、任務(wù)的功能無(wú)關(guān)。在μC/OS-II環(huán)境下，軟件的開(kāi)發(fā)流程如圖9-12所示。在該開(kāi)發(fā)流程中，除了啟動(dòng)任務(wù)及其功能是確定的之外，其他任務(wù)的任務(wù)數(shù)目及功能甚至可以不確定。但是開(kāi)發(fā)流程中的開(kāi)發(fā)順序是確定的，不能隨意更改。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(gè)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9-13所示。9.5.1控制卡軟件的框架設(shè)計(jì)圖9-12μC/OS-II環(huán)境下軟件的開(kāi)發(fā)流程圖9-13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(wú)關(guān)，只與程序代碼所在任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)安排。優(yōu)先級(jí)的安排會(huì)根據(jù)任務(wù)的重要程度以及任務(wù)間的前后銜接關(guān)系來(lái)確定。以CAN通信任務(wù)與控制算法運(yùn)行任務(wù)為例，控制算法運(yùn)行所需要的輸入信是由CAN通信任務(wù)向測(cè)控板卡索要的，所以CAN通信任務(wù)要優(yōu)先于控制算法任務(wù)執(zhí)行，所以CAN通信任務(wù)擁有更高的優(yōu)先級(jí)。控制卡軟件中的任務(wù)及優(yōu)先級(jí)如表9-3所示。

表9-3控制卡軟件中的任務(wù)及優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)任務(wù)說(shuō)明TaskStart4啟動(dòng)任務(wù)，創(chuàng)建其他用戶任務(wù)TaskStateMonitor5主從控制卡間的狀態(tài)監(jiān)測(cè)TaskCANReceive6接收CAN命令并對(duì)其處理TaskPIClear7計(jì)數(shù)通道值清零TaskAODOOut8模擬量/數(shù)字量輸出控制TaskCardConfig9板卡及通道配置TaskCardUpload10測(cè)控板卡采樣數(shù)據(jù)輪詢TaskLoopRun11控制算法運(yùn)行TaskLoopAnalyze12控制算法解析TaskNetPoll13網(wǎng)絡(luò)事件輪詢TaskDataSyn14故障卡重啟后進(jìn)行數(shù)據(jù)同步OS_TaskIdle63系統(tǒng)空閑任務(wù)確定了各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)就確定了系統(tǒng)軟件的整體框架。但是使用嵌入操作系統(tǒng)μC/OS-II，并不表示所有的事情都要以任務(wù)的形式完成。為了增加對(duì)事件響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，部分功能必須通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)，如CAN接收中斷和以太網(wǎng)接收中斷。而且，μC/OS-II也提供對(duì)中斷的支持，允許在中斷函數(shù)中調(diào)用部分系統(tǒng)服務(wù)，如用于釋放信號(hào)量的(OSSemPost)等。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(gè)控制卡協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中的兩個(gè)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(guò)程涉及控制卡的主從身份識(shí)別，工作中兩個(gè)控制卡間的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、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。9.5.2雙機(jī)熱備程序的設(shè)計(jì)1．控制卡主從身份識(shí)別主從配置的兩個(gè)控制卡必須保證在任一時(shí)刻、任何情況下都只有一個(gè)主控制卡與一個(gè)從控制卡，所以必須在所有可能的情況下對(duì)控制卡的主從身份做出識(shí)別或限定。這些情況包括，單控制卡上電運(yùn)行時(shí)如何判定為主控制卡，兩個(gè)控制卡同時(shí)上電運(yùn)行時(shí)主從身份的競(jìng)爭(zhēng)與識(shí)別，死機(jī)控制卡重啟后判定為從控制卡?？刂瓶ǖ闹鲝纳矸菀訰S觸發(fā)器輸出端的0/1狀態(tài)為判定依據(jù)，檢測(cè)到RS觸發(fā)器輸出端為1的控制卡為主控制卡，檢測(cè)到RS觸發(fā)器輸出端為0的控制卡為從控制卡。2．狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障切換處于熱備狀態(tài)的兩個(gè)控制卡必須不斷地監(jiān)測(cè)對(duì)方控制卡的工作狀態(tài)，以便在對(duì)方控制卡故障時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出故障處理。3．控制卡間的數(shù)據(jù)同步要保證兩個(gè)控制卡間數(shù)據(jù)的一致性，要求兩個(gè)控制卡間必須進(jìn)行數(shù)據(jù)同步操作。數(shù)據(jù)的一致性包括測(cè)控板卡采樣數(shù)據(jù)的一致、控制算法的一致、以及運(yùn)算結(jié)果的一致。下載到兩個(gè)控制卡的控制算法信息是一致的，在保證測(cè)控板卡采樣數(shù)據(jù)一致且同步運(yùn)算的情況下，就可以做到運(yùn)算結(jié)果一致。所以兩個(gè)控制卡間需要就測(cè)控板卡的采樣信息和運(yùn)算周期做一定的同步處理。關(guān)于測(cè)控板卡采樣信息的同步，由于只有主控制卡可以向測(cè)控板卡發(fā)送數(shù)據(jù)索要命令，從控制卡不可以主動(dòng)向測(cè)控板卡索要采樣信息。但是在與測(cè)控板卡進(jìn)行通信時(shí)，可以利用CAN通信的組播功能實(shí)現(xiàn)主從控制卡同步接收來(lái)自測(cè)控板卡的采樣數(shù)據(jù)，這樣就可以做到采樣數(shù)據(jù)的同步?？刂瓶ㄅc測(cè)控板卡間的通信通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)控板卡、周期性向測(cè)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(hào)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(shí)、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(gè)CAN2.0B的內(nèi)核，既支持11位標(biāo)識(shí)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。

9.5.3CAN通信程序的設(shè)計(jì)1．CAN數(shù)據(jù)幀的過(guò)濾機(jī)制STM32F407ZG中的CAN標(biāo)識(shí)符過(guò)濾機(jī)制支持兩種模式的標(biāo)識(shí)符過(guò)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(shí)符與過(guò)濾器設(shè)定的標(biāo)識(shí)符完全匹配時(shí)報(bào)文才會(huì)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(shí)符與過(guò)濾器設(shè)定的標(biāo)識(shí)符中的必須匹配位是一致的，該報(bào)文就會(huì)被接收。因此，列表模式適用于特定某一報(bào)文的接收，而屏蔽位模式適用于標(biāo)識(shí)符在一段范圍內(nèi)的一組報(bào)文的接收。當(dāng)然，通過(guò)設(shè)置所有的標(biāo)識(shí)符位為必須匹配位后，屏蔽位模式就變成了列表模式。2．CAN數(shù)據(jù)的打包與解包每個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場(chǎng)最多容納8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而在控制卡的CAN通信過(guò)程中，有些命令的長(zhǎng)度遠(yuǎn)不止8個(gè)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(gè)CAN數(shù)據(jù)幀所能容納的8個(gè)字節(jié)時(shí)，就需要將數(shù)據(jù)打包，拆解為多個(gè)數(shù)據(jù)包，并使用多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在接收端也要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，將多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)并重新組合為一個(gè)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(cè)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。控制卡CAN通信數(shù)據(jù)包格式如表9-6所示。表9-6控制卡CAN通信數(shù)據(jù)包的格式位置內(nèi)容說(shuō)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表9-7CAN通信數(shù)據(jù)包的分幀情況

CAN通信數(shù)據(jù)包的分幀情況如表9-7所示。該表顯示了帶有10個(gè)附加數(shù)據(jù)的命令的分幀情況。區(qū)域信息類型第1幀

第2幀

第3幀標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)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(shí)符低3位001001000數(shù)據(jù)場(chǎng)幀頭信息[0]源節(jié)點(diǎn)ID

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[0]源節(jié)點(diǎn)ID[1]幀序號(hào)0[1]幀序號(hào)1[1]幀序號(hào)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]×在組建具體的CAN數(shù)據(jù)幀時(shí)，除了上述標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)場(chǎng)外，還要對(duì)RTR（幀類型）、IDE（標(biāo)識(shí)符類型）和DLC（數(shù)據(jù)場(chǎng)中的字節(jié)數(shù)）做好填充。3．雙CAN環(huán)路通信工作機(jī)制在只有一個(gè)CAN收發(fā)器的情況下，當(dāng)通信線出現(xiàn)斷線時(shí)，便失去了與斷線處后方測(cè)控板卡的聯(lián)系。但兩個(gè)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(cè)控板卡的通信。在使用兩個(gè)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(shí)，CAN1只能與斷線處前方測(cè)控板卡進(jìn)行通信，失去與斷線處后方測(cè)控板卡的聯(lián)系；而此時(shí)，CAN2仍然保持與斷線處后方測(cè)控板卡的連接，仍然可以通過(guò)CAN2實(shí)現(xiàn)與斷線處后方測(cè)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。4．CAN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(gè)任務(wù)和2個(gè)接收中斷完成CAN通信功能。它們分別為T(mén)askCardUpload、TaskPIClear、TaskAODOOut、TaskCANReceive、IRQ_CAN1_RX、IRQ_CAN2_RX。9.5.4以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)是上位機(jī)與控制卡進(jìn)行通信的唯一方式，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)周期性地向主控制卡索要測(cè)控板卡的采樣信息，向主控制卡發(fā)送模擬量/數(shù)字量輸出命令，向控制卡下載控制算法信息等等。在測(cè)控板卡或從控制卡故障的情況下，主控制卡通過(guò)以太網(wǎng)主動(dòng)連接上位機(jī)的服務(wù)器，向上位機(jī)報(bào)告故障情況。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(guò)網(wǎng)絡(luò)1與控制卡通信，也可以通過(guò)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(gè)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(duì)簡(jiǎn)單。1．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(gè)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(kāi)發(fā)的，其源代碼完全由C語(yǔ)言編寫(xiě)，并且是完全公開(kāi)和免費(fèi)的，用戶可以根據(jù)需要對(duì)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(jiǎn)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)。應(yīng)用程序可以將uIP看做一個(gè)函數(shù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用uIP的內(nèi)部函數(shù)實(shí)現(xiàn)與底層硬件驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序的交互。

圖1-9CC-Link網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)uIP與系統(tǒng)底層硬件驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序的關(guān)系如圖10-15所示。2．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(chǔ)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(duì)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(wèn)題。在完成了W5100的初始化操作之后，即可以開(kāi)始基于W5100的以太網(wǎng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。W5100中的應(yīng)用程序開(kāi)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(duì)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(hào)等。3．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?？刂瓶ㄅc上位機(jī)間的通信采用TCP協(xié)議，并且正常情況下，控制卡作為服務(wù)器，接受上位機(jī)的訪問(wèn)，或回送上位機(jī)的數(shù)據(jù)索要請(qǐng)求，或處理上位機(jī)傳送的輸出控制命令和控制算法信息；在控制卡或測(cè)控板卡或通信線出現(xiàn)故障時(shí)，控制卡作為客戶端，主動(dòng)連接上位機(jī)的服務(wù)器，并向上位機(jī)報(bào)告故障情況。主從控制卡間的數(shù)據(jù)同步操作使用UDP協(xié)議，以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，?dāng)從控制卡死機(jī)重啟后，主控制卡會(huì)主動(dòng)要求與從控制卡進(jìn)行信息傳輸，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。9.6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(duì)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(chǔ)與恢復(fù)?？刂扑惴ㄓ缮衔粰C(jī)經(jīng)過(guò)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(shí)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(guò)程中對(duì)運(yùn)算結(jié)果暫存，在完成所有的運(yùn)算后對(duì)需要執(zhí)行的輸出操作集中輸出。在上位機(jī)將控制算法傳輸?shù)娇刂瓶ê?，控制卡?huì)將控制算法信息暫存到控制算法緩沖區(qū)，并不會(huì)立即對(duì)控制算法進(jìn)行解析。因?yàn)閷?duì)控制算法的修改操作需要做到在線執(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(shí)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(huì)對(duì)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(gè)控制算法方案一般包含多個(gè)回路。在基于功能框圖的算法組態(tài)環(huán)境下，一個(gè)回路又由多個(gè)模塊組成。一個(gè)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(kāi)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(gè)基本PID回路如圖9-16所示。9.6.1控制算法的解析與運(yùn)行圖9-16功能框圖組態(tài)環(huán)境下一個(gè)基本PID回路

一個(gè)新建回路的解析過(guò)程如圖9-17所示。圖9-17新建回路的解析過(guò)程在系統(tǒng)的需求分析中曾經(jīng)提到，系統(tǒng)要求對(duì)控制算法的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，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。對(duì)于控制算法的存儲(chǔ)，如果以控制算法的原始形態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，即以控制算法信息解析之前的形態(tài)存儲(chǔ)，控制卡需要在接收到上位機(jī)的控制算法信息后逐條存儲(chǔ)。以此種方式進(jìn)行存儲(chǔ)，如果存在頻繁的控制算法修改操作，就會(huì)造成控制算法存儲(chǔ)信息的激增，并且存儲(chǔ)的信息量沒(méi)有上限。而且，以原始形態(tài)存儲(chǔ)控制算法，在重新加載時(shí)需要對(duì)控制算法重新解析，這也需要一定的時(shí)間。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用這種方式，而是采用解析后控制回路的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

9.6.2控制算法的存儲(chǔ)與恢復(fù)以解析后控制回路的形式進(jìn)行控制算法的存儲(chǔ)，不存在信息激增和信息量無(wú)上限的情況，因?yàn)閷?duì)回路的修改操作只是對(duì)已有回路的修改，并不會(huì)產(chǎn)生新的回路。并且，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)限定最多容納255個(gè)控制回路，所以，控制算法的信息量不會(huì)是無(wú)限制的。而且，以此種形式存儲(chǔ)的控制算法，在再次加載時(shí)不需要重新解析。解析后的控制回路實(shí)際上就是一種運(yùn)行狀態(tài)的控制回路，以此種方式存儲(chǔ)的控制算法兼有運(yùn)行時(shí)的形態(tài)，只是模塊內(nèi)部具體數(shù)值不同而已。如果再將控制算法信息分為存儲(chǔ)信息與運(yùn)行信息，會(huì)造成一定的重復(fù)，產(chǎn)生雙倍的RAM需求。既然控制算法的存儲(chǔ)態(tài)與運(yùn)行態(tài)是一致的，那就可以將控制算法的運(yùn)行區(qū)與存儲(chǔ)區(qū)相結(jié)合，將運(yùn)行信息作為存儲(chǔ)信息。這要求控制算法運(yùn)行信息存放的介質(zhì)兼有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，即掉電數(shù)據(jù)不丟失。外擴(kuò)的RAM中，無(wú)論是具有后備電池供電的SRAM，還是磁存儲(chǔ)器MRAM都具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性，都可滿足將控制算法存儲(chǔ)區(qū)與運(yùn)行區(qū)相結(jié)合的基本要求。除了保證存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)保存功能外，還要保證數(shù)據(jù)不會(huì)被破壞。本系統(tǒng)中的控制算法存儲(chǔ)在一個(gè)個(gè)的內(nèi)存塊中，這些內(nèi)存塊由μC/OS-II的內(nèi)存管理模塊進(jìn)行分配與回收，如果μC/OS-II的內(nèi)存管理模塊不知道之前分配的內(nèi)存塊中存儲(chǔ)著控制算法信息，在程序再次運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有記錄原先的內(nèi)存塊的使用情況，當(dāng)再次向μC/OS-II的內(nèi)存管理模塊進(jìn)行內(nèi)存塊的申請(qǐng)或交還操作時(shí)，就會(huì)對(duì)原有的內(nèi)存塊造成破壞。所以，μC/OS-II內(nèi)存管理模塊的相關(guān)信息也必須得到存儲(chǔ)。要使μC/OS-II內(nèi)存管理模塊的信息得到有效存儲(chǔ)，涉及整個(gè)μC/OS-II中內(nèi)存的規(guī)劃。而且要使存儲(chǔ)的信息有效，還要保證μC/OS-II內(nèi)存規(guī)劃的固定性，比如內(nèi)存池的個(gè)數(shù)、內(nèi)存池的大小、內(nèi)存池管理空間的起始地址、內(nèi)部?jī)?nèi)存塊的大小、內(nèi)存塊的個(gè)數(shù)等等信息都必須是固定的，即每次程序重新加載時(shí)，上述信息都是固定不變的。因?yàn)椋坏┥鲜鲂畔l(fā)生了變化，之前存儲(chǔ)的信息也就失去了意義。9.78通道模擬量輸入板卡（8AI）的設(shè)計(jì)8通道模擬量輸入板卡（8AI）是8路點(diǎn)點(diǎn)隔離的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流輸入板卡?？刹蓸拥男盘?hào)包括標(biāo)準(zhǔn)II型、III型電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的II型、III型電流信號(hào)。通過(guò)外部配電板可允許接入各種輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)的儀表、傳感器等。該板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴信號(hào)類型及輸入范圍：標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ、Ⅲ型電壓信號(hào)（0~5V、1~5V）及標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ、Ⅲ型電流信號(hào)（0~10mA、4~20mA）；⑵采用32位ARMCortexM3微控制器，提高了板卡設(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(cè)量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號(hào)可直接接入；9.7.18通道模擬量輸入板卡的功能概述⑷同時(shí)測(cè)量8通道電壓信號(hào)或電流信號(hào)，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(guò)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(hào)范圍和類型等，并將配置信息存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器中，掉電重啟時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹板卡設(shè)計(jì)具有低通濾波、過(guò)壓保護(hù)及信號(hào)斷線檢測(cè)功能，ARM與現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)測(cè)量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。8通道模擬量輸入板卡的性能指標(biāo)如表9-9所示。表9-98通道模擬量輸入板卡的性能指標(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(duì)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(cuò)誤，要求冗余切換輸入阻抗電流輸入

250Ω電壓輸入

1MΩ8通道模擬量輸入板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖9-18所示。硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、信號(hào)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(cè)電路、DIP開(kāi)關(guān)、鐵電存儲(chǔ)器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和CAN通信接口電路組成。。9.7.28通道模擬量輸入板卡的硬件組成圖9-188通道模擬量輸入板卡硬件組成框圖8通道模擬量輸入板卡微控制器主電路如圖9-19所示。9.7.38通道模擬量輸入板卡微控制器主電路的設(shè)計(jì)圖9-198通道模擬量輸入板卡微控制器主電路8通道模擬量輸入板卡測(cè)量與斷線檢測(cè)電路如圖9-20所示。9.7.48通道模擬量輸入板卡的測(cè)量與斷線檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖9-208通道模擬量輸入板卡測(cè)量與斷線檢測(cè)電路信號(hào)在接入測(cè)量電路前，需要進(jìn)行濾波等處理，8通道模擬量輸入板卡信號(hào)調(diào)理與通道切換電路如圖9-21所示。9.7.58通道模擬量輸入板卡信號(hào)調(diào)理與通道切換電路的設(shè)計(jì)圖9-218通道模擬量輸入板卡信號(hào)調(diào)理與通道切換電路8通道模擬量輸入板卡的程序主要包括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(cè)程序、CAN通信程序、WDT程序等。

9.7.68通道模擬量輸入板卡的程序設(shè)計(jì)9.88通道熱電偶輸入板卡（8TC）的設(shè)計(jì)8通道熱電偶輸入板卡是一種高精度、智能型的、帶有模擬量信號(hào)調(diào)理的8路熱電偶信號(hào)采集卡。該板卡可對(duì)7種毫伏級(jí)熱電偶信號(hào)進(jìn)行采集，檢測(cè)溫度最低為-200℃，最高可達(dá)1800℃。通過(guò)外部配電板可允許接入各種熱電偶信號(hào)和毫伏電壓信號(hào)。該板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴熱電偶板卡可允許8通道熱電偶信號(hào)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ARMCortexM3微控制器，提高了板卡設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；9.8.18通道熱電偶輸入板卡的功能概述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(cè)量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號(hào)可直接接入；⑷同時(shí)測(cè)量8通道電壓信號(hào)或電流信號(hào)，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(guò)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(hào)范圍和類型等，并將配置信息存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器中，掉電重啟時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹板卡設(shè)計(jì)具有低通濾波、過(guò)壓保護(hù)及熱電偶斷線檢測(cè)功能，ARM與現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)測(cè)量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。8通道熱電偶輸入板卡支持的熱電偶信號(hào)類型如表9-10所示。表9-108通道熱電偶輸入板卡支持的熱電偶信號(hào)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）℃8通道熱電偶輸入板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶和毫伏信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖9-22所示。硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、信號(hào)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(cè)電路、熱電偶冷端補(bǔ)償電路、DIP開(kāi)關(guān)、鐵電存儲(chǔ)器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和CAN通信接口電路組成。

9.8.28通道熱電偶輸入板卡的硬件組成圖9-228通道熱電偶輸入板卡硬件組成框圖8通道熱電偶測(cè)量與斷線檢測(cè)電路如圖9-23所示。

9.8.38通道熱電偶輸入板卡的測(cè)量與斷線檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖9-238通道熱電偶測(cè)量與斷線檢測(cè)電路1．8通道熱電偶測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖9-23所示，在該板卡的設(shè)計(jì)中，AD轉(zhuǎn)換器的第一路用于測(cè)量選通的某一通道熱電偶信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器的第二、三路用作熱電偶信號(hào)冷端補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量，AD轉(zhuǎn)換器的第四路用作AOUT-的測(cè)量。2．?dāng)嗑€檢測(cè)及器件檢測(cè)電路設(shè)計(jì)為提高板卡運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)了對(duì)輸入信號(hào)的斷線檢測(cè)電路，如圖9-23所示。3．熱電偶冷端補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)熱電偶在使用過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題，是如何解決冷端溫度補(bǔ)償，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵鰺犭妱?dòng)勢(shì)不僅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(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度值只是相對(duì)于冷端的一個(gè)相對(duì)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(gè)冷端溫度。為了直接得到一個(gè)與被測(cè)對(duì)象溫度（熱端溫度）對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行冷端補(bǔ)償。具體電路設(shè)計(jì)如圖9-23所示。D6為2.5V電壓基準(zhǔn)源TL431，熱敏電阻RT和精密電阻R16電壓和為2.5V，利用ADS1213的第3通道采集電阻R16兩端的電壓，經(jīng)ARM微控制器查表計(jì)算出冷端溫度。4.冷端補(bǔ)償算法在8通道熱電偶輸入板卡的冷端補(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(gè)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(duì)應(yīng)的AD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(hào)類型的分度表，得到補(bǔ)償電壓。測(cè)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8通道熱電偶輸入板卡的程序主要包括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(cè)程序、CAN通信程序、WDT程序等。

9.8.48通道熱電偶輸入板卡的程序設(shè)計(jì)9.98通道熱電阻輸入板卡（8RTD）的設(shè)計(jì)8通道熱電阻輸入板卡是一種高精度、智能型的、帶有模擬量信號(hào)調(diào)理的8路熱電阻信號(hào)采集卡。該板卡可對(duì)3種熱電阻信號(hào)進(jìn)行采集，熱電阻采用三線制接線。通過(guò)外部配電板可允許接入各種熱電偶信號(hào)和毫伏電壓信號(hào)。該板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴熱電阻板卡可允許8通道三線制熱電阻信號(hào)輸入，支持熱電阻類型為Cu100、Cu50和Pt100；⑵采用32位ARMCortexM3微控制器，提高了板卡設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；9.9.18通道熱電阻輸入板卡的功能概述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(cè)量轉(zhuǎn)換，傳感器或變送器信號(hào)可直接接入；⑷同時(shí)測(cè)量8通道熱電阻信號(hào)，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(guò)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(hào)范圍和類型等，并將配置信息存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器中，掉電重啟時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹板卡設(shè)計(jì)具有低通濾波、過(guò)壓保護(hù)及熱電阻斷線檢測(cè)功能，ARM與現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)測(cè)量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。8通道熱電阻輸入板卡測(cè)量的熱電阻類型如表9-11所示。表9-118通道熱電阻輸入板卡測(cè)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℃8通道熱電阻輸入板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)熱電阻信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理，其硬件組成框圖如圖9-24所示。硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、信號(hào)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(cè)電路、熱電阻測(cè)量恒流源電路、DIP開(kāi)關(guān)、鐵電存儲(chǔ)器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和CAN通信接口電路組成。

9.9.28通道熱電阻輸入板卡的硬件組成圖9-248通道熱電阻輸入板卡硬件組成框圖8通道熱電阻測(cè)量與自檢電路如圖9-25所示。

9.9.38通道熱電阻輸入板卡的測(cè)量與斷線檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖9-258通道熱電阻測(cè)量與自檢電路8通道熱電阻輸入板卡的程序主要包括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(cè)程序、量程變換程序、CAN通信程序、WDT程序等。

9.9.48通道熱電阻輸入板卡的程序設(shè)計(jì)9.104通道模擬量輸出板卡（4AO）的設(shè)計(jì)

8卡為點(diǎn)點(diǎn)隔離型電流（II型或III型）信號(hào)輸出卡。ARM與輸出通道之間通過(guò)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(huì)影響到其它通道的工作。由于ARM內(nèi)部集成了PWM功能模塊，所以該板卡實(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(shí)檢測(cè)實(shí)際輸出的電流值，以保證輸出正確的電流信號(hào)。9.10.14通道模擬量輸出板卡的功能概述通過(guò)外部配電板可輸出II型或III型電流信號(hào)。該板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴模擬量輸出板卡可允許4通道電流信號(hào)，電流信號(hào)輸出范圍為0~10mA（II型）、4~20mA（III型）；⑵采用32位ARMCortexM3微控制器，提高了板卡設(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(guò)兩級(jí)一階有源低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出；⑷同時(shí)可檢測(cè)每個(gè)通道的電流信號(hào)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(guò)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(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器中，掉電重啟時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑹板卡計(jì)具有低通濾波、斷線檢測(cè)功能，ARM與現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)測(cè)量之間采用光電隔離措施，以提高抗干擾能力。4通道模擬量輸出板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的自動(dòng)控制，其硬件組成框圖如圖9-26所示。硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、兩級(jí)一階有源低通濾波電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、輸出電流信號(hào)反饋與A/D轉(zhuǎn)換電路、斷線檢測(cè)電路、DIP開(kāi)關(guān)、鐵電存儲(chǔ)器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和CAN通信接口電路組成。

9.10.24通道模擬量輸出板卡的硬件組成圖9-264通道模擬量輸出板卡硬件組成框圖4通道模擬量輸出板卡PWM輸出與斷線檢測(cè)電路如圖9-27所示。

9.10.34通道模擬量輸出板卡的PWM輸出與斷線檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖9-274通道模擬量輸出板卡PWM輸出與斷線檢測(cè)電路協(xié)議模型4通道模擬量輸出板卡自檢電路如圖9-28所示。

9.10.44通道模擬量輸出板卡自檢電路設(shè)計(jì)圖9-284通道模擬量輸出板卡自檢電路4通道模擬量輸出板卡程序的核心是通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)改變輸出電流的大小。PWM信號(hào)通過(guò)控制光耦合器U1產(chǎn)生反相的幅值為2.5V的PWM信號(hào)，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(hào)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。在程序設(shè)計(jì)中，還要考慮對(duì)信號(hào)的零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)進(jìn)行校正。由于恒流源電路的存在，系統(tǒng)的零點(diǎn)被抬高，對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)的占空比大于0%。因此在占空比為0%時(shí)，通過(guò)反饋電路讀取恒流源電路產(chǎn)生的電壓值，它對(duì)應(yīng)的占空比即為系統(tǒng)的零點(diǎn)。對(duì)于滿量程信號(hào)也要有一定的裕量。如果算法設(shè)計(jì)占空比為100%時(shí)對(duì)應(yīng)的電流為20mA，那么由于不同板9.10.54通道模擬量板卡輸出算法設(shè)計(jì)卡之間的差異，輸出的電流也存在差別，有的可能大于20mA，有的可能小于20mA，因此就需要在大于20mA的范圍內(nèi)對(duì)板卡進(jìn)行校正。在該板卡中，V/I電路中設(shè)計(jì)為占空比為100%，電壓為2.5V時(shí)，產(chǎn)生的電流大于20mA。然后利用上位機(jī)的校正程序，在輸出20mA時(shí)記下當(dāng)前的占空比，并將其寫(xiě)入鐵電存儲(chǔ)器中，隨后程序在零點(diǎn)與滿量程點(diǎn)之間采用線性算法處理，即可得到0~20mA電流的準(zhǔn)確輸出。由于電路統(tǒng)一輸出0~20mA的電流，板卡通過(guò)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(guò)軟件相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)。II(0~10mA)型電流信號(hào)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(shí)ARM控制器輸出的PWM值，PWM0和PWM10為校正后寫(xiě)入鐵電存儲(chǔ)器的0mA和10mA時(shí)的PWM值。III（4~20mA）型電流信號(hào)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(shí)ARM控制器輸出的PWM值，PWM4和PWM20為校正后寫(xiě)入鐵電存儲(chǔ)器的4mA和20mA時(shí)的PWM值。4通道模擬量輸出板卡的程序主要包括ARM控制器的初始化程序、PWM輸出程序、電流輸出值檢測(cè)程序、斷線檢測(cè)程序、CAN通信程序、WDT程序等。9.10.64通道模擬量板卡的程序設(shè)計(jì)9.1116通道數(shù)字量輸入板卡（16DI）的設(shè)計(jì)16通道數(shù)字量信號(hào)輸入板卡，能夠快速響應(yīng)有源開(kāi)關(guān)信號(hào)（濕接點(diǎn)）和無(wú)源開(kāi)關(guān)信號(hào)（干接點(diǎn)）的輸入，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確采集，主要用于采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。通過(guò)外部配電板可允許接入無(wú)源輸入和有源輸入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。該板卡的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：⑴信號(hào)類型及輸入范圍：外部裝置或生產(chǎn)過(guò)程的有源開(kāi)關(guān)信號(hào)（濕接點(diǎn)）和無(wú)源開(kāi)關(guān)信號(hào)（干接點(diǎn)）；⑵采用32位ARMCortexM3微控制器，提高了板卡設(shè)計(jì)的集成度、運(yùn)算速度和可靠性；9.11.116通道數(shù)字量輸入板卡的功能概述⑶同時(shí)測(cè)量16通道數(shù)字量輸入信號(hào)，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(guò)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(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器中，掉電重啟時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；⑸板卡設(shè)計(jì)具有低通濾波、通道故障自檢功能，可以保證板卡的可靠運(yùn)行。當(dāng)非正常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，可現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)報(bào)警提示。16通道數(shù)字量輸入板卡用于完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)的采集，其硬件組成框圖如圖9-29所示。硬件電路主要由ARMCortexM3微控制器、數(shù)字量信號(hào)低通濾波電路、輸入通道自檢電路、DIP開(kāi)關(guān)、鐵電存儲(chǔ)器FRAM、LED狀態(tài)指示燈和CAN通信接口電路組成。9.11.216通道數(shù)字量輸入板卡的硬件組成圖9-291