基于组态软件的数据采集及控制模块开发

论文摘要

在现代企业中，一般使用工业控制器实现控制。但是其结构复杂，价格昂贵。同时，不同型号类别之间编程环境不同，组态监控机制各异，使得工程人员的工作量极其繁杂。我国工业发展的客观状况，决定了存在相当数量的小批量，小规模，工艺流程简易的工业生产状态。如果使用主流的工业控制器做控制系统，必然增加不必要的资源浪费，甚至影响到企业的发展、生存；本设计在剖析了工业控制器原理的基础上，采用ARM Cortex-M3框架的STM32F103xC芯片做主处理器，利用Wincc组态监控开放性，完成了基于Wincc组态软件的数据采集及控制模块开发。在保证组态监控稳定、兼容、人机界面友好的前提下，用来满足小规模、小批量、工艺流程简易的工业生产要求，既降低生产成本，提高生产效率，本数据采集及控制模块可以与其它工业控制器并存。主要研究内容有：1)主控模块：主控模块选用ARM CortexTM-M3框架下的STM32F103xC为每单元模块核心处理芯片，该芯片常规工作频率为72MHz，512K字节闪存程序存储器,64K字节SRAM。片内集成了3个12位A/D转换器、2个12位带缓冲的D/A转换器。112个GPIO引脚。每个GPIO引脚可以映像到16个外部中断。数据采集及控制模块每单元具有8通道数字量输入/输出，8通道模拟量输入，2通道模拟量输出。串行通信接口。STM32F103x的硬件架构满足数据采集及控制模块的功能要求。2)数据采集及控制模块的接口电路：模块接口电路主要完成光电隔离保护、电压匹配、信号转换、功率驱动的功能。模块处理芯片STM32F103x的工作电压是3.3V，接口电路采用TLP521-4（数字量）、HCNR201（模拟量）、6N137（通信信号）光电耦合器进行光电隔离保护和电压匹配。采用ULN2804（数字量）、THS4001（模拟量）进行模块输出的功率驱动。串口通信电路由6N137进行3.3V至5.0V的电平转换和光电隔离保护，MAX1483芯片把单路信号转变成差分信号，完成系统的RS-485通信机制。3)组态软件Wincc OPC服务器：组态软件的编制工作包括建立基于模块处理芯片STM32F103xC的OPC服务器和在Wincc内导入该OPC服务器，完成模块处理器芯片STM32F103xC的运行控制状态可在组态软件Wincc环境下进行组态监控。OPC服务器是过程通信的开放性接口，基于微软COM（OLE for process control）标准，可以解决数据采集及控制模块在Wincc平台上组态监控的兼容性问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 工业控制器在生产过程中的运用及其发展
• 1.1.1 工业控制器的运用
• 1.1.2 工业控制器的发展历史
• 1.2 我国工业控制器的现状及面临的问题
• 1.3 工业控制器在国内、外的研究动态
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 系统综述
• 2.1 系统简介
• 2.1.1 系统架构
• 2.1.2 系统组成
• 2.2 数据采集及控制模块工作原理
• 2.3 系统的总体结构
• 2.4 系统整体设计方案
• 2.4.1 数据采集及控制模块硬件
• 2.4.2 工控机软件
• 2.4.3 数据采集及控制模块软件
• 2.5 系统的特点
• 第三章 数据采集及控制模块的硬件设计
• 3.1 数据采集及控制模块的硬件结构
• 3.2 主控模块硬件设计
• 3.2.1 STM32F103xC 介绍
• 3.2.2 通信模块设计
• 3.2.3 “看门狗”应用
• 3.3 数字量/模拟量输入模块设计
• 3.3.1 数字信号输入电路
• 3.3.2 模拟信号输入电路
• 3.4 数字量/模拟量输出模块设计
• 3.4.1 数字量数据输出电路
• 3.4.2 模拟量数据输出电路
• 第四章 系统的软件设计
• 4.1 系统软件的总体框架
• 4.2 数据采集及控制模块程序设计
• 4.2.1 IAP 下载程序设计
• 4.2.1.1 IAP 模式介绍
• 4.2.1.2 IAP 指令简述
• 4.2.1.3 IAP 模式程序设计
• 4.2.2 控制器 STM32F103xC 固化模块设计
• 4.3 组态监控软件设计
• 4.3.1 OPC 服务器开发套件的基本结构
• 4.3.2 OPC 服务器的总体设计方案
• 4.3.3 OPC 服务器与 STM32F103xC 的通信
• 4.3.4 OPC 服务器和 STM32F103xC 之间的数据同步
• 4.3.5 OPC 服务器中组态变量的注册和更新
• 4.3.6 STM32F103xC 中上下位机数据转换机制
• 4.3.7 上下位机通讯实例
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 OPC 服务器程序源代码