现场总线在工业控制系统中的应用与研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 6 4 922.33KB 58 页 15积分

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学校代码：10252

学号：0028208

上海理工大学硕士学位论文

现场总线在工业控制系统中

的应用与研究

姓名唐明刚

系别计算机工程学院

专业计算机应用技术

研究方向计算机通讯与单片机应用技术

导师姓名、职称蒋念平副教授

学位论文完成日期 2003 年1月

摘要

随着计算机网络、通讯、控制等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖

从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。信息技术的飞速发展，引起了工业控

制系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息管理系统。现

场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术；但由于现场总线改造的一次性投资比较

大，而且一般都由国外大公司垄断，研制、开发并产品化适合我国企业状况、拥有自

主知识产权的“基于现场总线的智能仪表”对现场总线技术在我国的推广应用具有非

常重要的意义。

针对我国企业的实际情况，本论文介绍了现场总线技术的发展背景和现状，并且

提出了一种工业控制系统中的现场总线解决方案。

课题是为一个温度控制工业环境而设计的，系统的主要控制单元是现场的智能控

制仪表，它与上位机组成一个工业控制网络，由上位机完成对智能仪表的监控和配置，

而现场总线技术用来保证系统中数据通讯的速率和准确性。硬件上，智能仪表采用了

MSP430F149 超低功耗单片机，它具有丰富的片内资源和强大的开发工具，保证了开发

的进度；此外，高精度的模数转换器 ADS1240（24 位），保证了数据采集的精度；液

晶显示屏增加了用户与系统交互的信息量。软件上采用基于 RTOS 的设计模式提高了

智能仪表的实时性、可靠性，大大减少了当机现象，而且系统组态方便灵活。在现场

总线协议方面详细介绍了 ModBus 协议，并提出了具体的实现方法，将通讯作为一个

单独的任务运行在 RTOS 内核之上，保证了通讯的实时性与数据传输的安全性，除此

之外，针对课题的需要对 ModBus 现场总线协议进行了适当的改进和扩展，提出了一

种基于虚拟令牌的多主网络系统，取得了良好的效果。上位机用来模拟 ModBus 主机，

主要运用多线程技术和数据库技术完成对控制单元的监控和配置，本上位机程序可以

非常方便地改写成一个网桥软件，可以将由此智能仪表构成的工业控制网络连接到其

他网段上去，具有良好的可拓展性，为我们更好的进一步研究现场总线技术提供了条

件。

经过长时间的实际运行表明，本系统运行稳定可靠，使用方便灵活，效果非常好。

本课题的技术指标达到了设计要求，对现场总线技术的应用提出了一种崭新的解决方

案，市场反映良好，取得了很好的社会效益和经济效益。

关键词：现场总线、单片机控制、实时多任务操作系统、Modbus 协议

ABSTRACT

With the development of internet, communication and control techniques,

the domain of information communication and exchange has been covering from

the layer of equipment to the layers of control and management. The rapid

development of information technology has brought the transformation of the

structure of industry control system, and a new technique---Feildbus comes up.

However, because of the high cost at one time to the rebuilding based on

Feildbus and the monopoly by the foreign corporations, it is of great importance

for the popularization and application of Fieldbus in our country to develop the

digital meter based on Fieldbus which is suitable to the company in our country

and put it into production.

With the consideration of the fact in our country, this article introduces the

background and the status quo of Fieldbus. Furthermore, It brings up a Feildbus

resolvent in the industry control system.

This system is designed for a temperature-control industrial condition, and

the main control unit of the system is the digital meter. The digital meters and an

master consist of an industry control network in which the latter is used to watch

and configure the former, and the Feildbus technique is used to ensure the

speed and the reliability of data communication in system. In hardware, We used

Ultra-Low Power Microcontrollers---MSP430F149, whose rich resources and

powerful development tools can ensure the development schedule; Moreover,

the high precision AD---ADS1240 （24 bits ）ensures the precision of data

collection; The liquid crystal display increases the mutual information

communication between the user and the system. In software, the designing

mode based on RTOS can improve the capability of the digital meter in real-time

and reliability, and greatly decrease the times that the system is down. Besides

that, the system is convenient to be configured. On the hand of Fieldbus protocol,

ModBus is given a particular explanation, and concrete realizing methods are

provided through which communication as a separate task is running on the

kernel of RTOS and the real-time and reliable of data transmission are assured.

Besides that, ModBus protocol are improved and extended, and a multi-host

network system based on virtual token is provided and proves well. The

computer is used to simulate the ModBus master to watch and configure the

control unit using the technique of multithreading and database. The computer

program can be conveniently rewrote as a bridge software, through which the

above industry control network can be connected to other networks, at the same

time it provides foundation for the further study of Fieldbus.

Practice proves that this system is robust and reliable. The project reaches

its design requirement, and provides a quite new solution. In fact, its practical

performance in market is satisfying both in economic and in social benefit.

Key words: FieldBus, MCU Control, RTOS and Modbus Protocol

第一章概述 ...................................................... 1

1.1 问题的提出 ............................................... 1

1.2 国内外发展动态 ........................................... 2

1.2.1 现场总线技术的产生背景与发展趋势 ................... 2

1.2.2 现场总线技术的特点和优点 ........................... 3

1.2.3 几种比较有影响的总线技术 ........................... 4

1.3 本课题的解决方案 ......................................... 6

第二章系统总体设计 .............................................. 7

2.1 总体设计方案 ............................................. 7

2.2 开发环境的选择 ........................................... 9

第三章智能控制仪表硬件设计 ..................................... 11

3.1 中央处理模块 ............................................ 11

3.2 A/D 转换 ................................................ 12

3.3 人机界面 ................................................ 13

3.4 在线仿真电路 ............................................ 15

3.5 硬件电路的抗干扰设计 .................................... 15

第四章软件设计 ................................................. 17

4.1 智能控制仪表程序设计 .................................... 17

4.1.1 实时多任务操作系统的引入 .......................... 17

4.1.2 实时多任务操作系统的选择 .......................... 18

4.1.3 μC/OS-II 实时多任务操作系统在本课题中的实际应用 .. 18

4.1.3.1 μC/OS-II 在 MSP430F149 上的移植 ............. 19

4.1.3.2 如何保证 MSP430F149 的低功耗特性 ............. 20

4.1.4 具体任务的实现 .................................... 21

4.1.4.1 任务划分及优先级分配 ........................ 21

4.1.4.2 具体任务实现 ................................ 22

4.2 主机程序设计 ............................................ 28

4.2.1 多线程串口类的实现 ................................ 28

4.2.2 数据库技术 ........................................ 33

第五章现场总线协议栈的设计 ..................................... 35

5.1 ModBus 介绍 ............................................. 35

5.2 网络模型的选择 .......................................... 35

5.3 具体协议的设计与实现 .................................... 37

5.3.1 CRC 算法研究与软件实现 ............................ 39

5.4 原有协议的改进方案 ...................................... 42

5.4.1 虚拟令牌环网的实现 ................................ 42

5.4.1.1 总线访问方式的选择 .......................... 42

5.4.1.2 虚拟令牌总线网络的设计思想 .................. 43

5.4.1.3 虚拟令牌环的初始化 .......................... 43

5.4.1.4 虚拟令牌处理 ................................ 44

5.4.2 原有协议的扩展 .................................... 44

第六章现场总线技术展望 ......................................... 46

第七章结束语 ................................................... 48

7.1 本论文研究内容及成果 .................................... 48

7.2 本论文研究的不足和对未来研究的建议 ...................... 48

致谢 .......................................................... 49

参考文献 ........................................................ 50

攻读硕士学位期间已发表的论文和书籍 .............................. 52

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学校代码：10252学号：0028208上海理工大学硕士学位论文现场总线在工业控制系统中的应用与研究姓名唐明刚系别计算机工程学院专业计算机应用技术研究方向计算机通讯与单片机应用技术导师姓名、职称蒋念平副教授学位论文完成日期2003年1月摘要随着计算机网络、通讯、控制等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。信息技术的飞速发展，引起了工业控制系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息管理系统。现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术；但由于现场总线改造的一次性投资比较大，而且一般都由国外大公司垄断，研制、开发并产品化适合我国企业状况、...

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