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可编程远程终端单元的设计与实现

2020-12-03阅读(179)

可编程远程终端单元的设计与实现

论文摘要

本课题由上海市高校科技发展基金项目“储罐远程监控单元(RTU)”、上海师范大学科研成果产业化(中试)项目和上海师大青年基金项目“新型SCADA系统的研制和应用”立项和资助。研发目标是设计一种能在无人职守的工业环境中长期稳定工作的新型RTU,作为构成SCADA系统的核心设备,完成遥控、遥测、遥信、遥调功能。中试项目将设计开发的RTU命名为UPRTU。本课题研发的这种新型RTU的硬件、软件都采用模块化设计,支持可编程功能,具有独立集成开发环境,支持图形化编程语言。作为课题负责人作者将UPRTU的设计分为三个部分进行:集成开发环境(IDE)、主模块(CPU模块)和输入/输出模块(I/O模块)。本文所介绍的项目是整个研发小组协同完成的。笔者主要负责项目的总体设计,包括分析设计需求,提出整体设计目标以及建立目标模型,给出总体设计方案,定义上下位机通信协议、伪执行代码以及其他各部分的接口,以协调各部分的并行设计。另外笔者还参与一些具体研发工作,如CPU模块、各I/O模块的设计。作者在IDE设计中提出了一种树型中间数据结构的方案,实现了梯形图到中间文件再到伪执行代码文件的转换(逆转换),在CPU模块嵌入式Linux平台上设计了RTU虚拟机以执行这个伪执行代码文件,同时又设计了一个MODBUS子协议实现这个伪执行代码的上传和下载,其作为子协议可以和MODBUS很好兼容,避免多种通信对COM口的抢占冲突。本文设计了自定义CAN应用层协议,这个协议充分发挥了CAN总线多主的特点,也适应了I/O数据传输高实时低带宽的要求,CPU模块通过这个CAN应用层协议管理各IO模块。本课题设计、研发的UPRTU样机通过了测试。样机测试表明其性能指标达到原设计目标,符合应用需求,在国内同类技术中处于先进水平。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 前言
  • 1.1 课题背景和来源
  • 1.2 RTU 的组成原理
  • 1.2.1 RTU 的定义
  • 1.2.2 RTU 的基本功能
  • 1.2.3 对RTU 的基本要求
  • 1.3 RTU 技术现状
  • 1.4 本论文设计的主要内容及意义
  • 1.5 论文结构
  • 第二章 UPRTU 的总体设计
  • 2.1 UPRTU 的总体设计目标
  • 2.2 功能需求分析
  • 2.2.1 集成开发环境（IDE）的功能需求分析
  • 2.2.2 CPU 模块的功能需求分析
  • 2.2.3 I/O 模块的功能需求分析
  • 2.3 设计原则
  • 2.4 方案选择
  • 2.4.1 代码执行方式
  • 2.4.2 IDE 的运行平台的选择
  • 2.4.3 CPU 模块软硬件平台的选择
  • 2.4.4 基于现场总线的智能化I/O 模块
  • 2.5 通信协议的设计
  • 2.5.1 关于MODBUS 通信协议
  • 2.5.2 自定义MODBUS 子协议的设计
  • 2.6 地址空间划分以及内部寄存器的定义
  • 2.7 伪执行代码的设计
  • 2.7.1 伪执行代码结构的设计
  • 2.7.2 配置表的设计
  • 2.7.3 指令集的设计
  • 第三章 集成开发环境（IDE）的设计
  • 3.1 IDE 的设计要求
  • 3.1.1 IDE 界面的设计要求
  • 3.1.2 IDE 的功能要求
  • 3.1.3 其他要求
  • 3.2 IDE 软件整体结构的设计
  • 3.3 IDE 的核心算法的设计
  • 3.3.1 算法思想
  • 3.3.2 算法实现
  • 第四章 CPU 模块的设计
  • 4.1 CPU 模块硬件平台的设计
  • 4.2 CPU 模块软件平台的设计
  • 4.2.1 CPU 模块嵌入式操作系统的选择
  • 4.2.2 CPU 模块软件结构的设计
  • 4.3 配置文件以及主控程序的设计
  • 4.4 共享内存的设计
  • 4.4.1 数据结构的定义
  • 4.4.2 映射关系的实现
  • 4.4.3 软件模块的设计
  • 4.5 软件系统设计流程以及启动执行过程
  • 第五章 输入/输出（I/O）的模块设计
  • 5.1 UPRTU 的模块组成方式
  • 5.1.1 一体式应用
  • 5.1.2 分散式I/O 应用
  • 5.2 UPRTU 内部（各模块间）通信协议的设计
  • 5.2.1 CAN-BUS 概述以及其特点
  • 5.2.2 CAN-BUS 应用层协议
  • 5.2.3 自定义CAN-BUS 应用层协议的设计
  • 5.3 I/O 模块的需求定义
  • 5.3.1 性能要求
  • 5.3.2 信号规格、连接端子和接线要求
  • 5.4 I/O 模块的硬件设计
  • 5.4.1 I/O 模块的硬件原理
  • 5.4.2 I/O 模块微控制器的选择
  • 5.4.3 CAN 总线接口电路的设计
  • 5.4.4 I/O 接口电路的设计
  • 5.5 I/O 模块的软件设计
  • 5.5.1 I/O 模块软件结构的设计
  • 5.5.2 CAN 通信程序的设计
  • 第六章 实现与测试
  • 6.1 UPRTU 的实现
  • 6.1.1 UPRTU 的研发过程
  • 6.1.2 样机实物照片
  • 6.2 UPRTU 的测试
  • 6.2.1 通信测试
  • 6.2.2 系统联调以及整体功能测试
  • 6.2.3 速度测试
  • 6.2.4 稳定性测试
  • 第七章 总结
  • 7.1 工作总结
  • 7.1.1 完成的工作
  • 7.1.2 取得的主要成果
  • 7.1.3 本课题的实用价值
  • 7.1.4 本课题的创新点
  • 7.2 下一步工作
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读学位期间的研究成果

    • 相关论文文献

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