基于工业以太网的PLC通信模块研究

摘要

长期以来可编程逻辑控制器PLC（Programmmg Logical Controller）在工业自动化领域得到了充分的应用，为各种各样的控制设备提供了非常可靠的控制和完全可靠的整体解决方案，满足企业对自动控制的需求并可以方便灵活地进行现场设置，监测监控各种设备的设备参数。随着计算机、控制、网络技术的飞速发展，信息交换沟通领域正在覆盖工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至各个地市的市场。
　　 目前越来越多的PLC供应商开始提供以太网接口设备，构成工业环境下的以太网的控制系统，采用工业以太网彻底打破了传统工业自动化孤岛现象，使整个厂区按生产节点有机地构成了一个远程监控网络。逐步形成了以网络集成自动化为基础的企业信息系统。
　　 本次设计的PLC通信模块可为凯迪恩公司的K3系列PLC系统提供CAN总线接口，并通过模块自身的以太网接口与其他同类模块以及上位机共同搭建工业以太网控制系统。
　　 文章首先分析了国内外PLC和工业以太网技术的应用现状，指出了工业以太网技术应用于PLC通信的趋势。接着详细介绍了工业以太网应用中的关键技术，并对嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的内核行了深入研究。在系统硬件设计方面，详细介绍了嵌入式处理器AT91M40008的特点和内部结构，以及它与以太网控制芯片AX88796的接口电路设计；在系统软件设计方面，对ARM7处理器AT91M40008的底层驱动，μC/OS-Ⅱ在AT91M40008上的移植、嵌入式TCP/IP协议的实现、串行以及CAN总线通信协议的实现进行了详细论述。最终完成了PLC本体、扩展模块以及上位机之间的相互通信。实验结果表明，该模块运行稳定，传输速率高，可兼容性好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1课题的提出

1.2工业以太网发展现状

1.3可编程控制器PLC

1.3.1可编程控制器的历史

1.3.2可编程序控制器硬件的基本构成

1.3.3 KDN-K3系列PLC(课题来源)

1.4课题的意义

1.5本文研究的内容

第二章 工业以太网的研究

2.1工业以太网简介

2.2工业以太网的优点

2.3工业以太网的关键技术

2.3.1通信实时性问题

2.3.2对环境的适应性与可靠性问题

2.3.3总线供电

2.3.4本质安全

2.3.5互操作性

2.3.6网络安全性

2.3.7远距离传输

2.4实时性的实现方法

2.5本章小结

第三章 嵌入式实时操作系统的研究

3.1嵌入式实时操作系统概述

3.1.1嵌入式实时操作系统简介

3.1.2主流嵌入式实时操作系统介绍

3.2 μC/OS-Ⅱ的选择

3.3μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统分析

3.3.1μC/OS-Ⅱ的总体构成

3.3.2μC/OS-Ⅱ的任务管理

3.3.3μC/OS-Ⅱ的任务间通信与同步

3.3.4μC/OS-Ⅱ的内存管理

3.3.5μC/OS-Ⅱ的时间管理

3.4本章小结

第四章 硬件设计

4.1嵌入式以太网模块的硬件实现

4.2 ARM简介

4.2.1如何选择ARM核

4.2.2关于ARM7TDMI-S处理器

4.3 AT90M40008

4.3.1电源电路

4.3.2复位及相关电路

4.3.3时钟电路

4.3.4外部总线接口EBI(External Bus Interface)

4.3.5先进中断控制器AIC

4.3.6通用输出输出口(PIO)

4.3.7串口(USART)

4.3.8定时器/计数器(TC)

4.4 AX88796L

4.5硬件设计的注意事项

4.5.1电源电路

4.5.2时钟电路

4.5.3复位电路

4.5.4电平匹配

4.5.5布局和布线

4.5.6其它

4.6本章小结

第五章 ARM的底层驱动

5.1整体工程软件框架

5.2地址重映射(Remap)

5.3启动代码cstartup_flash.s

5.3.1定义入口点

5.3.2设置异常向量

5.3.3外部总线接口初始化平台

5.3.4重映射前复位处理

5.3.5加速引导过程

5.3.6高级中断控制器设置

5.3.7拷贝异常向量(重映射后部分)到内部RAM

5.3.8存储器控制初始化和重映射命令

5.3.9重映射后复位处理

5.3.10初始化堆栈

5.3.11建立C库使用的内存模型——堆和栈

5.3.12进入C代码运行

5.3.13其他重要代码说明

5.4分散加载(Scatter Loading)

5.5其他文件说明

5.6调试和下载时的注意事项

5.7本章小结

第六章 μC/OS-Ⅱ的移植

6.1μC/OS-Ⅱ移植所需要的条件

6.2μC/OS-Ⅱ在ARM上的移植

6.3整体工程软件框架

6.4 INCLUDES.H

6.5 OS_CFG.H

6.6 OS_CPU.H

6.6.1与编译器相关的数据类型

6.6.2使用软中断SWI作底层接口

6.6.3 OS_STK_GROWTH

6.7 OS_CPU_C.C

6.7.1 OSTaskStkInt()

6.7.2软件中断异常SWI服务程序C语言部分

6.7.3 OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()

6.7.4 OSStartHighRdy

6.7.5移植增加的特定函数

6.7.6 ???Hook()函数

6.8 OS_CPU_A.S

6.8.1软件中断的汇编接口

6.8.2 OS_TASK_SW()和OSIntCtwSw()

6.8.3 OSStartHighRdy()

6.9移植代码应用到AT91M40008

6.9.1编写或获取启动代码

6.9.2挂接SWI软件中断

6.9.3关于中断

6.9.4时钟节拍中断

6.10编写μC/OS-Ⅱ应用程序

6.11测试移植代码

6.11.1确保C编译器、汇编编译器及链接器正常工作

6.11.2验证OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函数

6.11.3验证OSIntCtxSw()和OSTickISR()函数

6.12本章小结

第七章 整体软件设计

7.1整体工程软件框架

7.2移植TCP/IP协议栈

7.2.1 AX88796驱动编写

7.2.2移植ZLG/IP

7.2.3 UDP通信操作

7.2.4 TCP通信操作

7.3 AT91M40008上的任务程序编写

7.4 AT89S51编程

7.5系统验证

7.5.1模块与PC上位机之间通信验证

7.5.2模块之间通信验证

7.5.3系统通信实时调度验证

7.6本章小结

第八章 结论

致谢

参考文献

个人简历