适用于嵌入式控制系统通用可组态编程平台的研究与设计

论文摘要

随着计算机软、硬件技术的快速发展，嵌入式控制系统在工业中的应用越来越广泛。而嵌入式控制系统的开发方式却相对滞后，无法满足日益灵活多变的需求。组态软件以其操作简单、灵活的特性在工业过程控制方面获得了巨大的成功。嵌入式控制系统迫切需要一种类似于组态软件的应用程序来快速、灵活、高效地开发出适应频繁变化场合的软件。因此，将组态软件与嵌入式控制系统结合起来是后者的一种发展趋势。本文首先简要介绍了嵌入式系统的组成及其特点。根据平台开发的构想，借鉴传统组态软件以及虚拟机的思想，进行平台的总体结构设计。平台整体结构划分为三层。底层以机车BCU（制动控制单元）为具体实现对象，将功能接口和硬件驱动分离，用嵌入式操作系统保证实时性。中间层借鉴虚拟机思想，完成用户层的组态代码到底层接口的转换功能，达到硬件无关性。用户层应用程序以面向对象技术和组件思想为基础，符合IEC61131-3标准，提供以组态方式进行应用开发的功能。本文主要完成了以富士通公司三种MCU为核心的机车BCU系统的底层实现，并交付用户使用。用户使用底层接口完成了对机车制动器的控制，过程显示以及多机相连等应用开发，取得了良好的效果。同时，对虚拟机的基本结构，基本执行机制进行了设计；对用户层平台的基本模块、基本界面进行了设计，重点分析并设计了梯形图对象和梯形图向IL语言转化模块，以及IL语言编译模块，为平台的进一步实现打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.1.1 嵌入式系统的概念
• 1.1.2 嵌入式系统的组成
• 1.1.3 嵌入式系统的特点
• 1.2 课题研究的内容和目标
• 第2章 平台的总体设计
• 2.1 平台开发的思想
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 本平台设计的目标
• 2.2 组态软件技术
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 IEC61131-3标准
• 2.3 可组态编程平台的结构体系
• 2.3.1 平台的层次模型
• 2.3.2 各个层次的概述
• 第3章 底层的设计与实现
• 3.1 底层的层次结构
• 3.1.1 硬件抽象层
• 3.1.2 驱动层
• 3.1.3 功能接口层
• 3.2 底层的实现
• 3.2.1 BCU简介
• 3.2.2 硬件抽象层的实现
• 3.2.3 驱动层的实现
• 3.2.4 功能接口层的实现
• 3.3 通用性与可编程性
• 第4章 中间层的设计
• 4.1 虚拟机的概念
• 4.1.1 常见嵌入式虚拟机的种类
• 4.2 虚拟机的原理
• 4.3 IL虚拟机的设计
• 4.3.1 虚拟处理器结构
• 4.3.2 解释器的运行流程
• 4.3.3 IL字节码
• 4.4 虚拟机的执行机制
• 第5章 用户层的设计
• 5.1 可组态应用平台的结构
• 5.1.1 工业组态软件的结构
• 5.1.2 本平台的结构
• 5.1.3 平台的基本工作流程
• 5.2 平台界面的设计
• 5.3 LD对象及转译模块
• 5.3.1 LD基本对象的设计
• 5.3.2 LD语言向IL语言的转换
• 5.4 IL语言编译模块
• 5.4.1 编译原理基础
• 5.4.2 IL语言的编译
• 5.5 一个简单的例子
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果