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新型DCS现场控制单元的开发

作　者: 薛凌燕
导　师: 李正军
学　校: 山东大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 集散控制系统现场总线可编程逻辑器件 FPGA
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 219次
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内容摘要

随着计算机技术，通信技术，显示技术，现场总线技术及其他高新科学技术的发展，造就了新一代的集散控制系统(DCS)，它越来越广泛应用于各种工业领域，并将会成为工业控制系统应用的主流。新一代DCS的特点有：控制分散、信息集中、系统模块化、数据通信能力较强、友好而丰富的人机接口、可靠性高。控制站是DCS控制系统中直接与现场进行I／O数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心单元，完成整个工业过程的实时控制功能。控制站核心是主控模板。I／O智能测控模板包括模拟信号输入／输出板、数字信号输入／输出板、热电偶信号输入板、热电阻信号输入板、脉冲量信号输入板，它们通过配套端子板，直接与现场的电流、电压、流量、压力、温度等各种信号相连，从而实现对现场的控制及检测。本文的主要内容是研究开发基于工业以太网和现场总线技术的控制站中的热电偶信号输入板、脉冲量信号输入板及数字信号输出板，以及如何配合主控制板和CAN总线很好地实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制、以及包括优化控制等各种控制算法，进而形成整个DCS系统的控制站的。本文重点讲述了热电偶信号输入板、脉冲量信号输入板及数字信号输出板的硬件设计和软件设计以及开发调试，介绍了相关的知识，如CAN总线及其驱动器PCA82C250和FPGA的知识等，并提出了主控模板的设计结构。I／O模板中选用Freescale公司的带有CAN通信模块的MC9S12系列16位单片机MC9S12D64，它具有丰富的I／O模块和工业控制专用的通信模块SCI、SPI、I~2C、CAN、J1850等。硬件设计中，热电偶模板主要有A／D转换器ADS1213测量电路的设计、CAN总线接口电路设计、冷端补偿电路设计、断线检测及器件检测电路设计、电压转换及稳压电路设计、光电隔离电路设计等。在脉冲量模板中主要是对FPGA器件的设计。数字信号输出模板中的通道自检电路及外配电检测电路的设计。模板的软件设计包括测量程序和通信程序的设计，以及线性化算法、冷端补偿算法、温度查表算法的设计等。模板的开发与调试使用的是CodeWarrior软件，它是Metrowerks公司的、专门面向Motorola(Freescale)所有MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-18
  1.1 DCS系统概述  11
  1.2 DCS的发展  11-13
  1.3 DCS的构成  13-16
  1.4 DCS的特点  16-18
第二章 DCS控制站的总体设计  18-28
  2.1 控制站整体设计  18-21
    2.1.1 控制站结构  18-19
    2.1.2 I/O智能测控模板的设计概述  19-21
  2.2 主控模板的设计概述  21-24
    2.2.1 主控模板的总体结构  21-22
    2.2.2 嵌入式微型主板及接口  22-23
    2.2.3 CPLD实现复用总线转换桥  23
    2.2.4 TL16C554实现扩展接口电路的设计  23-24
  2.3 CAN总线通信的设计  24-28
    2.3.1 现场总线概述  24-25
    2.3.2 CAN总线介绍  25-26
    2.3.3 CAN总线环回通信设计  26-28
第三章热电偶输入模板的设计  28-45
  3.1 MC9S12D64单片机简介  28-31
    3.1.1 CPU12内核结构  28-29
    3.1.2 复位、时钟和中断系统  29-30
    3.1.3 片上外围功能模块简介  30-31
  3.2 模板的主要技术指标  31
  3.3 模板的硬件组成及设计  31-45
    3.3.1 热电偶冷端补偿原理及电路设计  32-33
    3.3.2 ADS1213简介及测量原理  33-37
    3.3.3 CAN通信接口电路设计  37-39
    3.3.4 断线检测及器件检测电路设计  39-41
    3.3.5 电压转换及稳压电路设计  41
    3.3.6 电源冗余供电及电源信号检测电路设计  41-43
    3.3.7 光电隔离电路设计  43-44
    3.3.8 外部输入信号的调理电路设计  44-45
第四章热电偶模板的软件设计及开发调试  45-64
  4.1 系统初始化  45-46
  4.2 MSCAN通信程序设计  46-55
    4.2.1 MSCAN模块的功能及特点  46-47
    4.2.2 MSCAN模块的配置  47-51
    4.2.3 MSCAN模块实现主控模板与I/O模板的通信  51-53
    4.2.4 主控模板与I/O模板通信的数据结构  53-55
  4.3 测量程序的设计  55-57
  4.4 模板使用的算法介绍  57-61
    4.4.1 温度查表  58-59
    4.4.2 标度变换算法  59-60
    4.4.3 温度补偿算法  60-61
  4.5 模板的开发与调试  61-64
    4.5.1 MC9S12单片机开发工具—CODE WARRIOR软件  61
    4.5.2 BDM调试方法  61-64
第五章八路脉冲量输入模板的设计  64-77
  5.1 模板的主要技术指标  64-65
  5.2 模板的硬件组成及总体设计  65
  5.3 FPGA实现8路脉冲量计数的设计  65-77
    5.3.1 PLD可编程逻辑器件综述  65-67
    5.3.2 CPLD与FPGA的区别  67
    5.3.3 采用FPGA的优点  67-68
    5.3.4 FPGA器件的选择  68-71
    5.3.4 配置器件  71-72
    5.3.5 开发软件Max+PlusⅡ的功能及使用  72-73
    5.3.6 具体设计方案及实现  73-77
第六章数字信号输出模板的设计  77-82
  6.1 模板的硬件设计  77-80
    6.1.1 16路数字信号输出电路设计  77-78
    6.1.2 16路数字信号通道自检电路设计  78-79
    6.1.3 外配电检测电路设计  79-80
  6.2 模板的软件设计  80-82
第七章结论  82-83
参考文献  83-86
致谢  86-87
攻读学位期间发表的学术论文  87-88
学位论文评阅及答辩情况表  88

新型DCS现场控制单元的开发

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