专用控制器开发平台的设计

论文摘要

工业控制系统中,定制式专用控制器具有很好的应用价值和市场前景[1]。为工业客户提供量身订做的专用控制器,需要一个性能优越,软硬件兼容性和适应性强的开发平台。本课题成功设计制作了一个专用控制器开发平台,完成了包括机械结构、硬件设计、操作系统移植与性能测试、驱动程序模板、控制软件设计和遗传算法实现等一系列工作,为进一步开发各类专用控制器打下基础。为保障控制器平台的开放性、适应性和实时性,采用ARM9处理器和Xenomai加Linux的双内核操作系统。硬件系统采用模块化设计,以便于扩展和维护。目前已经完成基本组成模块的设计,包括主处理器板、底板和模拟量输入输出板的制作和功能测试,以及CAN总线接口板的原理图设计。操作系统为Xenomai加Linux的双内核结构。其中Xenomai为构建在Linux内核底层之下的抢占式实时微内核,通过中断源接管的方式大幅度提高Linux的实时性,进程切换平均延时为18微秒（AT91RM9200运行于180Mhz主频）。Xenomai还提供多种主流实时操作系统的API,包括VxWorks、pSOS+、VRTX和uITRON等操作系统上的应用程序,都可以无缝移植到该控制器平台,软件适用性很强。由于Xenomai位于Linux的底层之下,因此有良好的硬件访问条件。将原有Linux驱动程序和Xenomai的映射机制相结合,独创一种直接访问寄存器的驱动程序模板,很好地提升了应用程序的硬件控制能力。依托ARM9处理器的运算能力和现有库文件对复杂运算的支持,在该控制器平台上实现了遗传算法,并成功应用于PID参数整定。处理器和双核操作系统的性能有效保障复杂运算和控制任务的同时兼顾。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工业控制系统的现状
• 1.1.1 集散控制系统DCS
• 1.1.2 可编程逻辑控制器PLC
• 1.1.3 基于PC机的软逻辑控制器
• 1.1.4 远程控制和数据采集系统SCADA
• 1.1.5 现场总线控制系统FCS
• 1.1.6 专用控制器
• 1.1.7 国产PLC发展的契机
• 1.2 专用控制器的技术特点
• 1.3 本课题完成的工作
• 第二章 专用控制器架构设计
• 2.1 硬件架构
• 2.2 操作系统
• 2.3 硬件设计
• 2.3.1 选择主处理器
• 2.3.2 存储器的配置
• 2.3.3 以太网接口设计
• 2.3.4 扩展总线设计
• 2.3.5 主处理器板的供电
• 2.3.6 扩展板卡的供电
• 2.3.7 模拟量输入输出扩展卡设计
• 2.3.8 CAN总线扩展卡设计
• 2.4 PCB的信号完整性设计
• 第三章 控制程序开发运行环境的建立
• 3.1 宿主机开发环境的建立
• 3.1.1 修改软件源
• 3.1.2 minicom的安装配置
• 3.1.3 NFS服务的安装配置
• 3.1.4 交叉编译链的安装
• 3.1.5 C编译工具链和ncurses库的安装
• 3.2 目标机运行环境的建立
• 3.2.1 U-boot的获取和修改
• 3.2.2 内核的配置
• 3.2.3 编译Xenomai的实时库文件
• 3.3 Xenomai性能测试
• 第四章 Xenomai 的驱动程序模板
• 4.1 Xenomai的架构
• 4.2 设备注册
• 4.3 实时内核抽象层
• 4.4 设备档案
• 4.5 SPI总线的驱动程序
• 第五章 控制软件设计
• 5.1 典型Linux驱动的工作方式
• 5.2 Xenomai与传统Linux驱动程序的协同
• 5.3 寄存器的直接访问
• 5.4 应用Xenomai的同步机制
• 5.5 基于遗传算法的PID参数整定
• 5.5.1 遗传算法在ARM处理器的实现
• 5.5.2 遗传算法的控制效果分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 科研情况说明
• 致谢