基于CAN现场总线嵌入式微处理器控制装置的研究

摘要

基于目前机电一体化设备控制系统主要采用国外可编程序控制器(PLC)为核心组成的控制装置；以及由PLC为核心组成的现场控制总线和工业控制计算机(工业 PC)为核心的控制系统，其价格高，PLC几乎全部都是国外进口产品，核心芯片(CPU)主要采用专用芯片或单片机，本课题提出以嵌入式微处理器S3C44BOX+FPGA为核心，扩展系统存储器、开关量模拟量输入输出模块以及CAN通信模块组成系统控制电路，系统主控制器用点阵液晶显示模块和触摸屏作为编程、系统运行状态监控器，同时系统嵌入μClinux嵌入式操作系统，实现多任务、友好图形界面用户界面设计。系统运用C语言独立编制、设计PLC基本指令和功能指令解释程序。系统通过FPGA嵌入先进的智能控制算法，如先进的PID、模糊控制，BP神经网络等，这些控制算法作为控制模块嵌入到PLC的梯形图中作为功能模块调用。 本文重点详细介绍以32位ARM嵌入式微处理器S3C44BOX为控制核心，以CAN总线为现场总线设计小型可编程控制器，描述了系统的工作原理；论述PLC主控制器各功能模块与嵌入式微处理器S3044BOX的接口电路原理；开关I/O口采用FPGA进行配置，扩展可编程控制器所需要的I/O口，以及A/D、D/A的扩展及其电路；给出嵌入式操作系统μClinux在S3C44BOX上的移植过程，并实现了CAN总线设备在uClinux下的驱动程序；运用C语言独立编制设计PLC指令系统解释程序；并将图形用户界面MiniGUl移植到嵌入式操作系统μClinux中，最终通过实验测试、验证，结果显示所设计电路、软件程序是正确的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 PLC国外发展状况

1.2.1 PLC发展史

1.2.2 PLC特点

1.3 PLC国内发展状况

1.4课题来源

1.5课题研究意义

1.6本课题研究内容

第二章PLC主控制器硬件总体设计

2.1 PLC系统结构设计

2.2 PLC主控制器硬件连接图

2.3 PLC主控制器核心板的设计

2.3.1存储器Nor Flash的扩展

2.3.2存储器SDRAM的扩展

2.3.3 EEPROM的扩展

2.3.4程序和数据在存储器的总体分配小结

2.4 PLC主控制器外围电路的设计

2.4.1 CAN现场总线通信模块的设计

2.4.2输入输出技术参数指标

2.4.3 FPGA配置扩展I/O口

2.4.4开关量输入输出模块设计

2.4.5模拟量输入输出模块设计

2.5 PLC程序执行过程及原理

2.6电路的测试和调试方法

2.7实验结果分析和本章小结

第三章嵌入式操作系统uClinux与图形用户界面MiniGUI的实现

3.1引导程序Bootloader的介绍和嵌入式操作系统的选择

3.1.1引导程序Bootloader的介绍

3.1.2嵌入式操作系统的选型和介绍

3.2 uClinux操作系统在控制板上的移植

3.2.1交叉编译环境的建立

3.2.2 uCl inux内核源码包文件组织

3.2.3 uCl inux操作系统的移植

3.2.4 uClinux操作系统配置和编译

3.3 MiniGUI在嵌入式操作系统uClinux上的移植

3.3.1几种典型图形用户界面

3.3.2 MiniGUI介绍

3.3.3 Framebuffer设备驱动程序

3.3.4 MiniGUI的移植

3.4本章小结

第四章PLC控制系统外围设备驱动程序的实现

4.1 Linux设备驱动程序的介绍

4.1.1 Linux设备管理

4.1.2 File_operations 结构体

4.1.3设备注册

4.1.4 Linux对设备中断控制方式

4.2 CAN总线设备在uClinux下驱动程序的实现

4.2.1编写驱动程序的各个操作例程

4.2.2交叉编译CAN驱动程序

4.3 CAN驱动程序的测试

4.3.1编写应用程序

4.3.2编译CAN应用程序

4.4本章小结

第五章PLC指令系统解释程序的设计

5.1指令编码及功能

5.2指令系统解释原理

5.2.1基本指令的解释方法

5.2.2定时器T、计数器C实现的方法

5.2.3功能指令的解释

5.3本章小结

第六章结论与工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果