工业电子中的基于LINUX和CAN总线的工业嵌入式控制系统研究
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2020-11-10
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工业电子中的基于工业电子中的基于LINUX和和CAN总线的工业嵌入式控制系统研总线的工业嵌入式控制系统研
究究
1.引言 基于现场总线的控制系统在工业控制中已经得到广泛的应用，现场总线是根据国际电工委员会的
IEC61158标准的定义而应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通
信的通信网络,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线具有系统的开放性;互操作性与互
用性;现场设备的智能化与功能自治性;系统结构的高度分散性;对现场环境的适应性的优点,因此，现场总线成为
当今自动化领域技术发展的热点之一。近年来已经设计出与现场总线相适应的控制模块，其功耗小、可靠性
高、易开发等的优点已经成为嵌入式系统的主要成员。所谓嵌入式应用技术，是指将一个具有完整功能的小型
或
1.引言
基于现场总线的控制系统在工业控制中已经得到广泛的应用，现场总线是根据国际电工委员会的IEC61158标准的定义而
应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络,也被称为开放式、数字
化、多点通信的底层控制网络。现场总线具有系统的开放性;互操作性与互用性;现场设备的智能化与功能自治性;系统结构的高
度分散性;对现场环境的适应性的优点,因此，现场总线成为当今自动化领域技术发展的热点之一。近年来已经设计出与现场总
线相适应的控制模块，其功耗小、可靠性高、易开发等的优点已经成为嵌入式系统的主要成员。所谓嵌入式应用技术，是指将
一个具有完整功能的小型或微型机装置作为一个部件或子系统，与载体有机地构成一个更可靠的技术稳定性的功能更强大和完
善的系统。工业嵌入式系统的主要指标要求就是：实时性、高效率、安全稳定性与可靠性以及结构紧凑、易于剪裁、良好的开
放性。实时性就是事件驱动能力与时间驱动能力，其基础是内核的结构模式与进程管理机制;高效率包括系统的启动速度与运
行速度及消息传递效率等;而稳定性与可靠性包括稳定性、安全性与容错能力等有关的性能指标。以前的大部分工业嵌入式操
作系统都是建立在DOS之上，但是DOS系统无论在实时性、安全性、分布式网络支持、可视化编程还是在易用性等诸多方面
都不能满足工业应用要求，可供嵌入式应用的图形操作系统有多种，比如Windows CE、Palm OS、Black berry和EPOC等，
而Palm OS、Black berry和EPOC一般只应用在手持设备上。适合工业环境应用（过程）标准的系统，目前有Windows CE和
LINUX等几种。本文的所介绍的嵌入式控制系统是基于Linux图形操作系统。
2.嵌入式控制系统
一般性定义，广义上的嵌入式控制系统是指非PC系统,有计算机功能但又不称之为计算机的设备和器材;狭义的嵌入式控制
系统是把PLC功能、测量功能、PID调节（如温度）功能、人机+界面功能、现场总线通讯功能和高级语言编程及库函数集成
的结合体。此系统包括控制面板和相关支持硬件（微处理器、IO端口等外设器件、扩展模块、存储器等）及应用软件。
2.1 控制面板（以德国EPIS公司产品为例）设计多样化,用户可以选用已有的控制器面板,也可以订制面板,使其与其设备或
系统环境相匹配。显示器类型是LCD显示器，同时配有点阵式显示和图形显示。整个系统面板从144＊72mm到255＊183mm,
适合在各种设备上应用。
2.2 相关支持硬件
嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心。它对实时和多任务有很强的支持能力,能完成多任务并有较短的中断响应时间,使内
部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度;具有强大功能的存储区保护和扩展功能;可扩展的处理器结构,能更方便、
迅速地扩展出满足于应用的高性能配置;嵌入式微处理器的低功耗。
IO端口 数字输入口和输出口数量可选择,各端口最多可扩展到512路。输入电压是24VDC,分为标准速度口（从高变低为
3.5ms,从低变高为2.8ms）和快速输入口（响应速度为20μs），同时配有高速输入口,额定电压是5V或24V,响应时间为1.1μs。
数字输出口采用24V光电隔离结构,每路电流最大500mA,配有短路保护和过载保护;继电器输出口有一常开点和一常闭点,转换电
压最大48 VDC,转换电流最大1A,转换容量最大30W,运行时间3ms。模拟量输入口和输出口的数量各自可扩展到40路。其模拟
量输入口包括电压输入和电流输入两种方式,同时可以接收温度传感器信号,内部A/D转换器15位.,转换时间为20μs。特殊功能
口:多路高速计数器输入口,最大输入频率是25kHz;增量编码器输入口,最大输入频率是1M Hz;25位绝对值编码器输入口;模拟量
输出口内部D/A转换器是11位,转换时间为100ms。
总线（CAN）扩展模块 总线（CAN）扩展模块是光电隔离,与ISO/DIS 11898兼容。其传输电缆是双绕线屏蔽电缆,且对应
于不同长度的电缆,传送的位速率不尽相同。总线（CAN）扩展模块扩展卡自带CPU,可独立脱机工作,节省主CPU的开销。 总
线功能可带一路或多路总线（CAN）口和多个扩展槽。利用TCP/IP网络功能支持设备与设备间、设备与网络之间的在线数据
交换，还可选配RS232/RS485,CANopen,和Profibus接口。
2.3 应用软件包括操作系统软件和应用程序编程软件。操作系统软件包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱
动接口、通信协议、图形界面等。嵌入式操作系统的基本特点是能够有效管理越来越复杂的系统资源,把硬件虚拟化,使开发人
员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来;能够提供大量专用和通用库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。应用程序控
制着系统的运作和行为来完成特定的任务,而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。编程环境非常好,在PC机上编
程,具有非常方便地仿真,设断点,参数设置和跟踪,单步执行等DEBURG功能。
3.工业嵌入式控制系统的实时性与LINUX操作系统
3.1 实时性是工业系统的基本要求，也是考核嵌入式系统最重要的指标之一。工业控制中的操作系统要求严格的实时性,实
时性也是嵌入式系统的主要特征。实时系统要求所有任务在规定的时间内完成，例如现场的数据采集,电力监控与管理,航天器
的飞行控制等等。设计实时系统有两个相对的目标:一是保证严格的时间关键截止值;二是充分有效地利用各种资源,并能较好地
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