CPCI总线嵌入式智能I/O模块设计与开发

摘要

随着计算机技术的逐步发展和成熟，智能化、信息化、网络化逐渐成为现代工业控制的发展趋势。从20世纪80年代开始，凭借迅速发展的开放式工业控制总线，依靠网络进行通讯的嵌入式技术也逐步发展、成熟起来。嵌入式控制器因其可靠性高、功能强等优点,已广泛应用于工业、国防、航空航天等各个领域，对各行各业的产品升级换代、加速自动化进程起到了极其重要的推动作用。在嵌入式系统不断成熟的今天，智能I/O模块也随之快速发展。
　　在传统的工业控制系统中，I/O模块自身不具备智能化，I/O模块功能的实现，由主机通过总线对其进行控制，因而降低了主机的实时性和可靠性。因此，提高主机的工作效率、减轻主机访问I/O的频率、增强对实时开关量数据的采集和控制能力等要求，是智能I/O模块设计中需要解决的关键问题。在工业控制领域，CPCI总线具有与PCI总线标准兼容、高传输速率、支持热插拔等优点，越来越多地应用于实际工程中，也为智能I/O模块的开发提供了基础平台。
　　为实现智能I/O模块的高速处理能力、较高的存储能力，提高模块的可靠性、降低功耗，课题基于CPCI总线技术，采用以ARM920T为内核的ARM微处理器，设计、开发了一种嵌入式智能I/O模块。主要工作包括：
　　（1）在总结归纳新型智能化系统设计、开发技术发展的基础上，根据实际控制系统的要求，设计一种基于CPCI总线的嵌入式智能I/O模块的总体架构，包括：系统网络的接口、I/O的接口、与控制对象的串行接口等部分。该模块与主机模块、网络模块、交换机模块等协同工作，完成控制系统特定的功能要求。
　　（2）为实现系统总体对智能I/O模块的要求，设计了满足CPCI总线物理接口的智能I/O模块、编写了智能I/O模块软件应用程序、为验证智能I/O模块的功能制作了模拟器继电器板和调试设备，实现了智能I/O模块的功能（包括网络的接口、I/O的接口、与控制对象的串行接口）验证。
　　（3）为实现智能 I/O模块的高速数据处理能力，良好的存储性能，提高模块工作的可靠性并降低功耗的要求，选用ARM9型单片机AT91RM9200为核心，选择合适的器件，组建了一个微型计算机，为实际控制系统提供了一个低功耗，低成本，高性能的单片解决方案。大幅提高了控制系统的实时性，可使机箱内主机模块有更多的时间处理大量的计算、实时显示等任务。
　　（4）对设计研制的嵌入式智能I/O模块的网络接口性能、I/O接口性能、串行接口性能的验证。采用对智能I/O模块做高低温试验并进行长时间稳定性考核的方式进行了实验测试。测试结果显示智能I/O模块在高低温条件下工作正常、在长时间考核中智能I/O模块工作稳定、测试结果正常。达到了实际控制系统对智能I/O模块在-10°至+50°温度范围内正常工作和可靠性指标的要求。

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第一章 绪论

1.1 智能I/O模块研制的背景和意义

1.2 I/O模块的发展及研究现状

1.3 研究目标、内容及拟解决的关键问题

1.4 论文组织结构

第二章 嵌入式智能I/O模块设计要求与基础

2.1 嵌入式智能I/O模块设计要求

2.2 智能I/O模块的总体设计方案

2.3 关于嵌入式模块与ARM单片机的介绍

第三章 智能I/O的模块设计

3.1 电源设计

3.2 时钟设计

3.3 复位电路设计

3.4 随机存储器及其外围电路设计

3.5 Flash及其外围电路设计

3.6 以太网及其接口电路

3.7 串行接口电路设计

3.8 外部I/O接口

第四章 智能I/O模块的功能实现设计

4.1智能 I/O的功能实现设计

4.2 程序入口与初始化函数

4.3 网络接收功能（Net Receive Task）

4.4 IO网络发送功能（Net Send Task）

4.5 I/O采集任务（Input Task）

4.6 I/O输出任务（Out put Task）

4.7 管理任务（Manager Task）

4.8 智能I/O板程序灌装

第五章 智能I/O模块的调试与实验

5.1 智能I/O模块的调试环境

5.2 智能I/O模块的功能测试

5.3 智能I/O模块的试验

第六章 总结与展望

6.1 研制工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢