基于ARM嵌入式系统的微型智能可编程控制器

基于 ARM嵌入式系统的微型智能可编程控制器 孙延岭, 赵雪飞, 张红芳, 刘国敏 (国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司, 江苏省南京市 210003) 摘要: 微型智能可编程逻辑控制器( PLC)目前越来越广泛地应用到电力系统的各种控制系统中, 针对当前国内外微型智能 PLC主要以传统的 8位、16位单片机为处理器的不足,研制了一种基于 ARM 嵌入式处理器的微型智能 PLC。介绍了系统的体系结构,给出了基于 AT 91SAM9260芯片 的 PLC硬件系统设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和基于 VxWorks嵌入式实时操作系统的软件设计方案。 关键词: 微型智能 PLC; 嵌入式实时操作系统; ARM 处理器 收稿日期: 2009�06�04; 修回日期: 2010�03�28。 0 � 引言 近年来, 电力系统的很多设备或控制系统都使 用微型可编程逻辑控制器( PLC)替代传统的控制方 式,例如: 火力发电中灰网、水网和输煤三大辅机系 统的控制[ 1] ,水电厂的水机保护、闸门和辅机系统的 控制等[ 2]。微型 PLC 紧凑的设计、良好的扩展性、 低廉的价格、强大的指令、较高的可靠性和简便的维 护等特性,使其在电力系统中的应用日益广泛。 目前欧洲、日本、美国的微型 PLC 占据了世界 主要微型 PLC 市场, 控制器主要采用 8位或 16 位 单片机及专用控制芯片作为主处理器, 存在运算速 度慢、通信接口少等缺点。计算机技术、信息技术及 工业控制技术的飞速发展,对微型 PLC 的发展提出 了更高的要求, 需要更多的功能、更快的速度、更大 的容量、更高的可靠性以实现更复杂的控制功能及 通信能力。 为此,笔者研制了新一代微型智能 PLC。它选 取高性能的 ARM ( advanced RISC machines) 嵌入 式处理器作为主控模块的处理器, 扩展输入/输出 ( I/ O)模块均自带处理器。该控制器既继承了国内 外传统 PLC 的优点, 又弥补了传统 PLC 的技术薄 弱环节。本文介绍了新一代控制器的体系结构, 并 详细介绍其硬件设计和软件设计方案。 1 � ARM嵌入式处理器 近年来, 嵌入式应用领域中以 ARM 处理器发 展最为突出, ARM 被公认为业界领先的、优秀的 32位嵌入式处理器结构[ 3]。ARM 系列处理器凭借 高性能、低成本和低功耗等特点,在嵌入式应用领域 中占据了绝对的市场份额。 AT MEL 公司 AT91SAM 9260 型微控制器是 基于 ARM926EJ�S 的处理器,扩展了数字信号处理 指令,具备 8 KB数据缓存以及 8 KB 指令缓存, 带 有存储器管理单元( MMU ) , 主频 180 MH z 时性能 高达 200 百万条指令每秒( MIPS)。包含了 8 KB SRAM 以及 32 KB ROM , 在最高处理器或总线速 度下可实现单周期访问。该产品还具备外部总线接 口,这些外部总线接口中包含了诸多控制器,用于控 制 SDRAM 以及包括 NAND Flash 和 Compact F lash在内的静态存储器。其广泛的外围设备集包 括通用串行总线( U SB)全速主机和设备接口、以太 网媒体访问控制( MAC)、图像传感器接口、多媒体 卡接口( M CI)、同步串行控制器( SSC)、4路增强通 用同步/异步收发器( U SART )、2 路 3 线通用异步 收发器、2个主/从串行外围设备接口( SPI)、2个各 自带有 3通道的 16 位定时计数器( TC)、1个双线 接口( T WI)以及 4 通道 10位模数转换器( A/ D)。 3个 32位并行 I/ O 控制器,使引脚可以与这些外围 设备实现多路复用, 从而减少了设备的引脚数量以 及外围设备直接存储器访问( DMA)通道,将接口与 片上、片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高 水平。AT91SAM9260丰富的外设、稳定的性能以 及强大的功能使其作为微型智能 PLC 的主处理器 具有非常高的性价比。 2 � 基于 ARM处理器的硬件系统设计 2. 1 � 体系结构设计 控制器的体系结构如图 1所示。现场信号通过 相应的隔离与信号调理后,接入主控模件或者扩展 模件。主控模件提供 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的以太网接口、串口, 完成 与上位机系统及其他通信终端的通信, U SB 设备接 口用于控制器与调试机之间的程序下载以及联机调 试等在线操作, U SB 主机接口配合一个 Flash存储 �101� 第 34 卷 � 第 10 期 2010 年 5 月 25 日 Vo l. 34� No . 10 May 25, 2010 器即可完成现场程序升级。主控模件与智能 I/ O 模件(每个 I/ O 模件自带处理器)之间采用高速串 行总线作为内部扩展总线,结合高效的软件 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 , 达 到较高的灵活性和可靠性。主控模件最多可以扩展 7个不同类型的扩展模件, 扩展模件类型包括开关 量 I/ O模件、模拟量 I/ O 模件以及一些专用功能扩 展模件等。 图 1 � 微型智能 PLC体系结构 Fig. 1� Structure diagram of micro intelligent PLC 2. 2 � 系统硬件设计 2. 2. 1 � 最小系统 如图 2所示,控制器采用 AT 91SAM 9260作为 主处理器, 结合 64 MB SDRAM ( 2 片 16 位的 SDRAM 芯片 K4S561632C 组成 32 位接口 )、 64 Mbit NOR Flash 存储器( 2片 SST39VF3201)、 看门狗复位芯片( SP706S)、电源以及系统时钟共同 组成一个最小系统。SDRAM 用于存放控制器运行 时的程序代码和各种数据, PLC 在复位启动之后, 所有的程序都拷入 SDRAM 中运行,从而提高程序 运行速度及流水线效率。一片 NOR Flash 存储器 用于固化操作系统和底层程序代码,另外一片用于 存放用户编制的程序及配置。 图 2� 主控模件硬件结构 Fig. 2 � Hardware structure diagram of central control module 2. 2. 2 � 对外通信 PLC 有 2个 RS�232通信接口和一个 RS�485 通信接口。一个 RS�232 接口为标准 9线接口, 可 接调制解调器进行远程控制,另一个为 3线接口,可 以与触摸屏等外部设备通信。RS�485接口可以通 过组网与其他多个装置同时进行通信。RS�232 接 口通过 HIN211接口芯片进行电平转换,同时增加 了过压、限流等保护措施。AT 91SAM 9260内部带 有 MAC 控制 器, 通 过 外 部的 物 理 层芯 片 DM9161E、网络变压器 H1102 和 RJ45 水晶头, PLC 可以实现 10 M bit s- 1 / 100 M bit s- 1自适应 以太网接口,实现网络通信。同时,控制器还带有可 用于应用程序下载以及联机调试等操作的 U SB接 口。以往许多国外 PLC为了节省成本,扩展模件均 不带处理器, 这样大大限制了控制器的整体性能。 新开发的微型智能 PLC扩展模件均自带处理器,不 但提高了处理能力, 而且主控模件与扩展模件之间 比较容易通过扩展总线接口实现智能级联。 2. 2. 3 � I/ O通道 PLC 主控模件本体带有 24 通道 24 V 直流数 字量输入以及 16 通道晶体管输出 (或者继电器输 出)。部分输入通道具有脉冲捕捉或中断功能, 外部 脉冲可以选择上升沿、下降沿或者双边沿触发。开 入开出通道通过光隔将外部信号与内部回路进行隔 离,模入模出通道采用磁隔离技术实现模拟信号与 数字回路的隔离。 2. 2. 4 � 时钟以及掉电保持 AT 91SAM 9260自带的定时器可以作为控制器 的时钟基准( 1 ms定时中断以及 1 s定时中断) ,同 时,片上集成有 RT C, 可实现定时开关机功能。 RTC提供 PLC 的系统时间, 可以通过软件方便地 改写时钟, 并能完成定时触发。通过 FRAM ( FM1608)来实现系统重要数据的掉电保持, 掉电 保持空间为 6 KB。铁电存储器具有读写速度快、无 写等待、可以无限次( 1 ! 1016次)擦写、高抗干扰性 能等优点 [ 4] ,价格比传统的非易失性存储器便宜,比 RAM 加电池的方案可靠。 2. 2. 5 � 注意事项 电力系统电磁环境比较恶劣, PLC 系统的正常 供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广, 将 受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电 流,特别是电网内部的变化如开关操作产生的浪涌、 大型电力设备启停和交直流转动装置引起的谐波、 电网短路暂态冲击等, 都将通过电源回路或者信号 回路进入PLC 内部。控制器设计严格按 IEC 61131 以及 GB/ T 13729标准的相关要求。在硬件电路设 �102� 2010, 34( 10) � 计时,模拟部分与数字部分严格分开,外部信号与内 部逻辑之间电气隔离,采用尽量加粗电源线的宽度、 减少环路电流、使电源线和地线的走向和数据传递 方向一致等一系列抗干扰措施。除此之外, 硬件电 路中还增加了一些保护措施, 以防止静电、快瞬、浪 涌等对 PLC造成损坏。 3 � 微型智能 PLC的软件系统开发 3. 1 � 嵌入式实时操作系统 微型智能 PLC 运行过程中处理任务非常复杂, 包括梯形扫描、对外通信、程序下载调试、 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图扫 描、扩展总线通信、自检等, 许多任务有很高的实时 性要求。传统微型智能 PLC 存储器容量小、处理器 速度慢或受架构限制,因而无法运行实时操作系统。 本设计选用具有强大的处理能力和存储器容量的 ARM 嵌入式处理器, 从而可引进嵌入式实时操作 系统为处理上述复杂任务提供解决方案。为保证软 件的可靠性和发挥控制器的实时性能, 选取目前国 际上广泛使用的 32 位实时操作系统 VxWorks。 VxWorks是Windriver 公司为实时嵌入式系统设 计开发的操作系统软件, 为程序员提供高效的实时 任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任 务间通信[ 5] 。其核心功能主要有微内核、任务间通 信机制、网络支持、文件系统和 I/ O 管理、可移植操 作系统接口( POSIX)标准实时扩展以及 C+ + 等其 他标准支持,使开发者只需做最少的工作即可设计 有效的、适合于不同用户要求的实时操作系统 [ 6]。 3. 2 � 微型智能 PLC的任务 微型智能 PLC 对软件的实时性要求非常高, 因 而嵌入式操作系统中任务的合理划分变得至关重 要。本设计中, PLC的主要任务如图 3所示。 图 3� 微型智能 PLC的任务划分 Fig. 3 � Division of tasks of micro intelligent PLC PLC的各任务之间主要通过信号量、消息队列 来实现通信。使用二进制信号量来解决多个任务读 写数据的互斥问题,使用计数器信号量来解决定时 器计数问题;使用消息队列来实现任务间的数据交 换。以太网通信通过套接字 ( socket )实现, 串口通 信操作通过串口驱动来实现。任何对于串行口的操 作仍然可以视为对一个文件的操作, 而不必了解关 于设备或驱动程序实现的细节。 4 � 结语 新型微型智能 PLC 选取高性能的 ARM 嵌入 式处理器作为主控模件的处理器, 极大提高了系统 的设计开发效率并降低了成本, 增强了产品的性能 和可靠性, 对传统 PLC 是一个极大的提升。随着 ARM 处理器技术的不断发展及其应用的不断推 广,其正被应用于大中型 PLC 中 (例如各种智能 I/ O 模件的处理器)。可以预见,基于 ARM 的嵌入 式系统技术在 PLC中将得到越来越广泛的应用。 参 考 文 献 [ 1] 林鹤云,王峰,陆宇平,等. 火电厂烟气连续排放监测系统.电力 系统自动化, 2001, 25( 5) : 53�55. LIN H eyun, WANG Feng, L U Yuping, et al. Cont inuous emis sion m on itorin g system of pow er plan t. Au tom at ion of Elect ric Pow er S ystems , 2001, 25( 5) : 53�55. [ 2] 王善永,陈思宁,施冲,等. MB系列智能可编程逻辑控制器. 电 力系统自动化, 2005, 29( 10) : 82�84, 91. WANG Shany ong, CHEN Sinin g, SH I Chong, et al. M B series intell igent programmable logical cont rollers. Automat ion of Elect ric Pow er S ystems , 2005, 29( 10) : 82�84, 91. [ 3] 窦晓波,徐科,胡敏强,等.基于 ARM 处理器的低压微机保护装 置.电力系统自动化, 2005, 29( 20) : 93�96, 99. DOU Xiaob o, XU Ke, H U M inqian g, et al. Low� vol tage microcom puter�based protect ion device w ith ARM microprocess or. Automat ion of Electric Power Sys tems, 2005, 29( 20) : 93�96, 99. [ 4] 马利人.铁电存储器 FM 24C04原理及应用. 电测与仪表, 2002, 39( 9) : 53�56. MA Liren. T he principle and applicat ions of FRAM FM 24C04. Elect rical Measu rement & In st rumentat ion, 2002, 39 ( 9 ) : 53� 56. [ 5] 李忠民, 杨刚,顾亦然,等. ARM 嵌入式 VxWorks 实践教程. 北 京:北京航空航天大学出版社, 2006. 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T o overcome its deficiency , an ARM embedded processo r�based micro int elligent PLC is designed. The system framew ork is present concisely . The hardw are design based on AT91SAM9260 chip and the so ftw are design w ith the embedded real�t ime operating system VxWorks, are intr oduced in detail. Key words: m icro int elligent PLC; embedded real�time operating sy stem; ARM micr opro cessor (上接第 7页 � cont inued from page 7) 郝丽丽( 1979 � ) , 女, 通信作者, 博士研究生, 主要研究 方向:电力系统稳定与控制。E�mail: lili_hao@ 163. com 薛禹胜( 1941 � ) , 男,中国工程院院士,国网电力科学研 究院名誉院长, 博士生导师, 主要研究方向: 电力系统自动 化。E�mail: xueyusheng@ sgepr i. sg cc. com. cn Q . H . WU( 1953� ) ,男, 教授,主要研究方向: 电力系统 自动化和系统工程。E�mail: qhw u@ liv. ac. uk A Review of Validity Analysis of Power System Dynamic Simulation H AO L ili1 ,2 , X UE Yusheng 2 ,1 , Q . H . WU 3 , K .P . WONG 4,5 , X U T aishan2 ( 1. Southeast Univer sity, Nanjing 210096, China; 2. State G rid Electr ic Power Resear ch Instit ute, Nanjing 210003, China; 3. The U niversit y of L iv erpoo l, Liverpoo l L69 3GJ, UK ; 4. The H ong Kong Po lyt echnic Univer sity, Hong Kong, China; 5. Univer sity o f Western Austr alia, Per th WA 6009, Aust ralia) Abstract: This paper summar izes the essentials of power system dynamic behavior , t he char acter istics and difference index o f disturbed trajecto ries. The model v erif ication and parameter identif ication methods , which ar e based on differ ence index o f disturbed traject ories, ar e r eview ed, to gether w ith the ex isting problems and possible appro aches. The index should not only be based on conventional signal pro cessing t echnolog ies, but also it should reflect the physical mechanisms of the system dynamics. It is r ev ealed that there ex ist mult i�solution phenomena in mult i�pa rameter identificat ion, thus the identification results depend on bot h the initial value and sear ch str ategy . T his problem would be solved with applying multiple sets o f measured response curv es as benchmarks in different scenar ios, and the objective par amet ers should remain unchanged during the pro cess of calculating these benchmark curves. This wo rk is jointly suppor ted by National Natural Science Foundation o f China ( No. 50595413) , National M ega�project of Science Research for the 11t h F ive�year P lan ( No. 2008BAA13B05) , State Gr id Co rpor ation o f China ( No. SGKJ[ 2008] & [ 2009] ) . Key words: dynam ic behavio r; differ ence deg ree; model v erificat ion; sensitiv ity analy sis; parameter identification; multi� so lution phenomenon 关于∀电力系统自动化#电子信箱变更的启事 ∀电力系统自动化#原电子信箱 aeps@ sgepri. com 变更为 aeps@ alljournals. cn。投稿 者敬请登录网站: http: / / www. aeps�info. com。 �104� 2010, 34( 10) �