I摘 要 嵌入式系统是一种以应用为中心以计算机技术为基础软硬件可裁剪适应对功能可靠性成本体积功耗严格要求的专用计算机系统可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备被称为工业自动化三大支柱性产业之一在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用 本文结合开发项目基于 C8051F040 单片机的嵌入式系统开发在深入研究嵌入式系统技术的基础上提出了小型 PLC 设计的系统方案硬件结构以高性能的8 位嵌入式处理器 C8051F040 为核心充分利用其丰富的片上资源扩展系统的输入输出功能 软件以开发的 PLC 内核为核心 开发系统所需要的应用 将嵌入式 PLC内核扩展为完整实用的 PLC 系统 本文深入研究以 C8051F040 单片机为核心的 PLC 硬件核心电路包括掉电保护的外部 RAM 硬件看门狗和对外部扩展的接口电路 同时研究了 PLC 核心的内核软件包括内核软件的基本功能内核软件的结构和实现以及内核对任务的管理和调度 接着研究和分析 PLC 的电源 结合最新的开关电源技术 设计出适合小型 PLC所需要的电源以美国功率集成公司(Power Integrations Inc.)的 TOPSwitch-II 系列的单片开关电源芯片 TOP224Y 为核心提出开关电源的设计方法和步骤以及如何选用外围元器件并且测试了开关电源的性能研究 PLC 主要硬件部分包括输入输出和通信部分设计出符合小型 PLC 的硬件电路应用 PLC 内核程序设计出具体的 PLC 应用软件最后结合具体的 PLC 应用系统对该 PLC 做整机测试以及进行 PLC 网络扩展试验对其性能进行评估 关键词嵌入式系统C8051F040可编程控制器开关电源网络扩展 IIAbstract Embedded systems are special computer system. They are based on computer technology and take the application as the first important thing, their software and hardware can be cut out, and they also fit for application systems which have strict request with function, reliability, cost, power waste and bulk. As the very important basic equipment, Programmable Logic Controller (PLC) is called one of the three major pillars in Automation Industry. In the thesis, under the developed project “Embedded systems development based on C8051F040 MCU”, and on the base of studying embedded systems technology, the paper presents design plan for the small PLC. The hardware is based on the high efficient 8 bit embedded microprocessor C8051F040, its input and output function is extended with its plenty of source on chip. The embedded PLC core programme is taken as the center, and the needed application is developed, and is extended to a full and applied PLC system. In the thesis, the PLC core hardware circuit which is based on the microcontroller C8051F040 is deeply studied, including external RAM for power dropping, hardware watchdog circuit and the interface circuit for extent. At the same time, The PLC core software is studied, including its basic function, its structure and realization, its task administration and schedule. Then the power supply of PLC is studied and analyzed, and the power suitable for the small PLC is designed combined the up-to-date SMPS (Switching Mode Power Supply) technology. Base on the singal chip SMPS TOP224Y in the TOPSwitch-II serial of American company Power Integrations Inc., the design method and step of SMPS, and how to select components is presented, basides the performance of SMPS tested. The PLC hardware including the input/output and the communication is studied, and the hardware circuit for the small PLC is designed. The PLC software under the PLC core is designed. At last the PLC system combining an application of PLC is tested, and its performance is evaluated by PLC network extent. Keywords: Embedded Systems; C8051F040; Programmable Logic Controller; Switching Mode Power Supply; Network Extent 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果近我所知除文中已标明引用的内容外本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 张 波 日期2005 年 5 月 11 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名张 波 指导教师签名周纯杰 日期2005 年 5 月 11 日 日期2005 年 5 月 11 日 11 绪 论 1.1 嵌入式系统网络控制系统国内外发展现状 1.1.1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是一种以应用为中心以计算机技术为基础软硬件可裁剪适应对功能可靠性成本体积功耗严格要求的专用计算机系统根据 IEEE国际电气和电子工程协会的定义嵌入式系统是控制监视或者辅助设备机器和工厂运行的装置它将计算机(或单片机)嵌入至应用系统之中是信息技术的最终产品嵌入式系统早期主要应用于军事和航空等领域以后逐步广泛地应用于工业控制通信医疗仪器仪表和家用电器等消费类领域嵌入式系统主要由嵌入式微处理器外围硬件设备嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成用于实现其他设备的控制监视和管理等功能它通常嵌入在主要设备中运行嵌入式系统无处不在从家庭的收音机洗衣机电冰箱彩电汽车到学校教学公司办公用品和工厂设备等 这些都属于使用嵌入式技术进行开发和改造的产品 Lindsey Vereen 甚至预言:一切皆嵌入All Things Embedded1嵌入式系统随着计算机技术半导体技术以及电子技术的发展而壮大特别是20 世纪 70 年代以来 大规模集成电路技术的成熟使得各种微处理器和微控制器的大规模的应用以具体应用为基础的嵌入式系统得到了发展嵌入式系统最初是基于单片机的应用开发迄今为止基于单片机的应用系统的开发仍然等到广泛的应用各种汽车电子设备家电设备工业设备通讯设备等等都是通过这种单片机的嵌入式设备来实现设备的简单控制的这种单片机一般使用价格比较低的 8 位16 位单片机2 90 年代以来随着对系统复杂程度的增加对嵌入式系统的要求越来越高于是开始使用 32 位的微处理器和微控制器以及开发嵌入式实时操作系统这样使得开发人员可以进一步缩短开发周期降低开发成本并提高开发效率 一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机软硬件的集合体可大致分2为硬件与软件两部分硬件包括处理器/微处理器存储器及外设器件和输入输出端口图形控制器等软件部分包括操作系统软件和应用程序编程应用程序控制着系统的运作和行为而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器嵌入式系统正向片上系统(SOC)发展所谓片上系统(SOC)就是把当前所需的外围功能集成在一个芯片上如定时器看门狗串口和各种通讯口等等根据具体的应用场合集成相应的外围设备把所有功能都集成在一块芯片上这样不仅简化了外围电路的设计而且系统的可靠性得到了提高3 嵌入式系统的最大特点是其目的性或针对性即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定的功能这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别另外嵌入式技术很容易实现实时性由于嵌入式系统是为特定的目的而设计且常常受到空间成本存储带宽等限制因此它必须最大限度地在硬件上和软件上量身定做以提高效率这样的结果最终可以实现实时性增强以上的特点一般会带来缩短开发周期降低成本等好处嵌入式系统中的处理器与通用型处理器的最大不同就是前者大多数工作在为特定用户群设计的系统中通常嵌入式系统处理器都具有低功耗体积小集成度高等特定能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部从而有利于整个系统设计趋于小型化.在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率去除冗余针对用户的具体需求对系统进行合理配置才能达到理想性能4 随着 Internet 的发展以及 Internet 技术与信息家电工业控制技术等结合日益密切嵌入式设备与 Internet 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来并推动嵌入式技术的快速发展这就要求嵌入式系统进行网络互连为了适应网络发展的要求必然要求嵌入式设备要求硬件上提供各种网络接口 如 Ethernet CAN 485 总线 USBIrDA 等等5 1.1.2 网络控制系统国内外发展现状 网络控制系统Network Control System , NCS又称为控制网络分布式控制系统DCS工业以太网和现场总线控制系统FCS都属于网络控制系统它们的3出现标志着控制系统正向着网络化集成化分布化和节点智能化的方向发展6 集散式控制系