基于ARM与μC/OS-Ⅱ的DCS控制站主控系统的设计与实现

摘要

历经近四十年的发展，DCS（分布式控制系统）在功能和性能上稳步提升，提高了工业生产的自动化程度，为企业的生产管理提供了重要的参考数据，在大型复杂工业生产过程中确立了不可替代的地位。而且，DCS不断与新的控制技术和通信技术相结合，呈现出新的结构模式和更加优异的性能。通过对DCS控制站主控系统的研究，依据具体的功能需求，本文设计并实现了基于ARM微控制器与嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的DCS控制站主控系统。
　　在系统设计中，坚持以通信和控制为核心功能，以实时性和可靠性为基本要求。本文中的主控系统由两个冗余配置的控制卡构成，两个控制卡具有完全相同的软硬件配置，工作于主从模式的双机热备状态中。控制卡要实现与上层工程师站和操作员站的以太网通信，与底层测控板卡的现场总线CAN通信，还要能够解析、运行和存储工程师站下载的基于功能框图的控制算法。
　　为了提高系统的可靠性，除了控制卡的冗余配置和双机热备外，通信网络也做了冗余处理。与上层间的以太网通信网络，由两条平行独立的以太网网路构成，两条网路均可独立完成通信工作。与底层测控板卡间的CAN通信网络由双CAN构建的环形通信网路构成，可有效解决通信线断线后与断线处后方测控板卡失联的问题。
　　控制卡以基于ARMCortex-M4内核的微控制器STM32F407ZG为硬件平台，以嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ为软件平台。文中详述了控制卡的电路设计、嵌入式操作系统在微控制器上的移植和应用程序的开发。
　　在电路设计方面，以微控制器STM32F407ZG为核心，通过RS触发器与D触发器分别实现主从控制卡的上电竞争与状态监测，通过内置的MAC与外部的物理层接口芯片DP83848I实现第一路以太网，通过扩展网络接口芯片W5100实现第二路以太网，通过内部的两个CAN模块与收发器TJA1051T/3组建两个CAN节点，通过外扩SRAM-CY62177EV30存储控制算法，通过接入日历时钟芯片PCF2129A获取必要的日期时间信息，通过LED指示灯与拨码开关实现基本的人机接口。
　　在软件设计方面，满足7种类型测控板卡（DI、DO、AI、AO、RTD、TC、PI)、1024个数字输入/输出点、512个模拟输入点、256个模拟输出点、255个控制算法回路的容量要求，1s为周期的控制算法运算速度要求。移植嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ，实现双机热备，双以太网平行通信，双CAN环形通信，控制算法的解析、运行、存储与恢复，控制卡、测控板卡和通信线的故障判断与故障报告，及必要的系统状态指示。