基于UCOS-II嵌入式小型PLC研究

论文摘要

小型PLC在工业控制领域有着广泛的应用,随着工业技术的发展,传统小型PLC前后台的软件系统功能模块间耦合性强,软件升级、维护困难,实时性差等问题,严重阻碍了小型PLC的发展。本课题提出嵌入式实时操作系统为系统软件平台的小型PLC,利用操作系统的多任务调度机制,提高系统设计的水平,从而达到提升小型PLC系统的可靠性、稳定性、实时响应能力的目的。本文主要内容如下:（1）在分析小型PLC技术要求的基础上,设计了系统总体结构,硬件上提出采用ARM+FPGA主从式工作方式的双CPU结构;软件上设计了小型PLC的功能结构与数据结构,制定软件设计方案。（2）分析比较多个嵌入式操作系统,结合小型PLC特性,选择UCOS-II作为小型PLC软件平台,并完成在TMS470R1B1M上的剪裁移植工作,对UCOS-II内核进行详细分析,并实际测试其抢占时间、额外中断处理时间等参数。（3）完成基于UCOS-II的多任务系统开发,包括系统BSP层的编写、任务的划分、各个任务优先级的确定以及每个任务的详细设计工作等。提出在实时多任务系统中的小型PLC原子性问题,并采用信号量互斥机制实现指令执行的原子性。（4）搭建了对2维运动平台的控制系统,编写指令库函数,完成“PLC”轨迹控制实验,实际检验了小型PLC运行系统功能。本文设计的基于UCOS-II嵌入式小型PLC系统运行稳定,实时响应能力优良,可以满足工业控制对小型PLC的功能与性能的需求。系统设计思想与设计流程对小型PLC开发人员有一定的参考价值,对UCOS-II的系统应用开发人员也有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外相关技术发展现状
• 1.2.1 PLC的发展状况
• 1.2.2 嵌入式系统的发展
• 1.2.3 PLC设计标准介绍
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 嵌入式小型PLC原理分析与总体方案
• 2.1 嵌入式小型PLC研究
• 2.1.1 小型PLC工作原理分析
• 2.1.2 小型PLC运行模式分析
• 2.1.3 小型PLC系统软件平台分析
• 2.2 嵌入式小型PLC系统要求
• 2.3 嵌入式小型PLC硬件总体设计
• 2.3.1 CPU电路设计
• 2.3.2 I/O电路设计
• 2.3.3 电源电路设计
• 2.4 嵌入式小型PLC软件总体方案
• 2.4.1 小型PLC软件结构
• 2.4.2 能流控制方案
• 2.4.3 软元件定义
• 2.4.4 错误分类与处理
• 2.5 本章小结
• 第3章 UCOS-II剪裁移植及性能测试
• 3.1 嵌入式系统分析及选型
• 3.2 UCOS-II系统分析
• 3.2.1 UCOS-II系统特点
• 3.2.2 UCOS-II内核分析
• 3.2.3 UCOS-II实时性分析
• 3.3 UCOS-II 在 TMS470R1B1M 上移植
• 3.3.1 UCOS-II移植条件
• 3.3.2 剪裁移植过程
• 3.3.3 移植结果分析
• 3.4 UCOS-II性能测试与分析
• 3.4.1 系统性能测试
• 3.4.2 测试结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 嵌入式小型PLC软件设计与实现
• 4.1 小型PLC多任务软件结构
• 4.2 驱动层设计与实现
• 4.3 系统层设计与实现
• 4.4 任务层设计
• 4.4.1 任务划分与优先级设定
• 4.4.2 主任务设计
• 4.4.3 时钟任务设计
• 4.4.4 用户中断任务设计
• 4.4.5 通讯任务设计
• 4.4.6 掉电保存任务
• 4.5 小型PLC原子性分析与设计
• 4.5.1 原子性概念
• 4.5.2 小型PLC中的原子性问题
• 4.6 本章小结
• 第5章 嵌入式小型PLC系统测试实验
• 5.1 基于小型PLC控制系统实验平台
• 5.2 系统硬件接口设计
• 5.3 系统控制程序设计
• 5.3.1 圆弧插补指令分析
• 5.3.2 小型PLC控制流程
• 5.4 实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 1 系统控制程序代码
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢