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科普知識
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平板式開關電源

嵌入式工業(yè)以太網的應用研究

發(fā)布日期:2022-04-17 點擊率:53

  1 引言

  隨著網絡技術的發(fā)展,工業(yè)以太網成為了各國工控界的一個研究熱點領域。國內開展這項研究較早的浙江大學,中科院沈陽自動化所,浙大中控等單位在國家“863”課題的支持下,起草了“用于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構和通信標準”,并力圖在化工領域建成幾個示范性應用項目。廣東工業(yè)大學聯(lián)合中南大學,中科院自動化所開展了嵌入式工業(yè)以太網的研究,并進行了“基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)以太網控制器開發(fā)”,致力于發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)在工控領域的優(yōu)勢。

  2 應用背景

  壓力、溫度、水位和流量是化工、污水處理以及鋼鐵等行業(yè)中最常用的控制系統(tǒng),為了研究在各種行業(yè)、不同工藝流程下的通用網絡控制系統(tǒng),所以本文中將不強調工藝流程。而應用試驗的對象也將使用中南大學率先研發(fā)的仿工業(yè)現(xiàn)場的被控對象,本文將對最常用的壓力、溫度、水位和流量四個控制系統(tǒng)進行全面仿真工業(yè)現(xiàn)場的試驗。

  3 嵌入式工業(yè)以太網系統(tǒng)結構

  將企業(yè)現(xiàn)場網絡分為控制層和設備層。針對現(xiàn)場對網絡可靠性參數的嚴格要求,在控制層網絡改進傳統(tǒng)以太網拓撲結構。采用環(huán)形網絡拓撲,可以增加網絡的可靠性。

  而解決網絡的實時性問題則采用了控制區(qū)域(Control Domain)概念,將控制現(xiàn)場分區(qū),減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過以太網交換機(交換式)來通信。

  改進后的網絡結構如圖1所示。控制層網絡由100M以太網構成組成環(huán)形網絡。

  每個控制區(qū)域(Control Domain)包含以太網交換機和嵌入式的工業(yè)以太網控制器,以及一些變送器和執(zhí)行機構。如圖2所示。

  而位于控制區(qū)域中的工業(yè)以太網控制器采用嵌入式系統(tǒng)來設計。

  4 嵌入式工業(yè)以太網控制器設計

  工業(yè)以太網控制器的硬件設計采用核心板與接口板分開設計的方式,增強了系統(tǒng)應用的靈活性,方便系統(tǒng)調試。圖3中,虛線框所包含的模塊組成核心板,虛線框以外的模塊組成接口板。圖中,以太網控制器中CPU是控制核心,負責控制所有輔助設備。存儲器采用SDRAM和FLASH兩種類型,能滿足系統(tǒng)運行和調試的需要。基本端口包括以太網接口,USB接口,還有兩個RS232的串口,能滿足系統(tǒng)應用和調試的需要。A/D和D/A模塊主要用于現(xiàn)場數據的采集與控制信號的輸出 DC/DC模塊主要負責整個系統(tǒng)的供電。擴展接口考慮了系統(tǒng)的可擴展性。

  控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要,采用了 uClinux。uClinux是一個完全符合 GNU/GPL公約的操作系統(tǒng),完全開放代碼,其是專門為控制領域而裁減設計的嵌入式操作系統(tǒng) uClinux從Linux 2.0/2.4內核派生而來,沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有 MMU的CPU,并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元(MMU)的處理器,例如Cold Fire。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。特別的為了應用到工業(yè)實時領域,還可以進一步增強uClinux的實時性。

  整個嵌人式工業(yè)以太網控制器具有以下特點:

  控制器具有很高的性能。CPU采用高集成度的Motorola Cold Fire微處理器,主頻達到50Mhz,且其具有豐富的接口資源,增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性,嵌入式的uClinux能完成復雜的算法計算以及任務調度、網絡等功能;

  控制器具有很高的集成度。由于Motorola CPU具有豐富的接口資源,而uClinux裁減后體積非常小,而且具備以太網功能,這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;

  控制器具有很高的實時性。在設計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設計中采用了高速的A/D(500khz)和多路D/A輸出,使得關鍵信號能及時采樣和輸出,保證了“硬實時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊,保證了“軟實時”。

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