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基于组态软件的数据采集及控制模块开发

作 者: 董辉
导 师: 王学俊
学 校: 大连工业大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: STM32F103Xc Wincc组态 串口通信 OPC服务器
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


在现代企业中,一般使用工业控制器实现控制。但是其结构复杂,价格昂贵。同时,不同型号类别之间编程环境不同,组态监控机制各异,使得工程人员的工作量极其繁杂。我国工业发展的客观状况,决定了存在相当数量的小批量,小规模,工艺流程简易的工业生产状态。如果使用主流的工业控制器做控制系统,必然增加不必要的资源浪费,甚至影响到企业的发展、生存;本设计在剖析了工业控制器原理的基础上,采用ARM Cortex-M3框架的STM32F103xC芯片做主处理器,利用Wincc组态监控开放性,完成了基于Wincc组态软件的数据采集及控制模块开发。在保证组态监控稳定、兼容、人机界面友好的前提下,用来满足小规模、小批量、工艺流程简易的工业生产要求,既降低生产成本,提高生产效率,本数据采集及控制模块可以与其它工业控制器并存。主要研究内容有:1)主控模块:主控模块选用ARM CortexTM-M3框架下的STM32F103xC为每单元模块核心处理芯片,该芯片常规工作频率为72MHz,512K字节闪存程序存储器,64K字节SRAM。片内集成了3个12位A/D转换器、2个12位带缓冲的D/A转换器。112个GPIO引脚。每个GPIO引脚可以映像到16个外部中断。数据采集及控制模块每单元具有8通道数字量输入/输出,8通道模拟量输入,2通道模拟量输出。串行通信接口。STM32F103x的硬件架构满足数据采集及控制模块的功能要求。2)数据采集及控制模块的接口电路:模块接口电路主要完成光电隔离保护、电压匹配、信号转换、功率驱动的功能。模块处理芯片STM32F103x的工作电压是3.3V,接口电路采用TLP521-4(数字量)、HCNR201(模拟量)、6N137(通信信号)光电耦合器进行光电隔离保护和电压匹配。采用ULN2804(数字量)、THS4001(模拟量)进行模块输出的功率驱动。串口通信电路由6N137进行3.3V至5.0V的电平转换和光电隔离保护,MAX1483芯片把单路信号转变成差分信号,完成系统的RS-485通信机制。3)组态软件Wincc OPC服务器:组态软件的编制工作包括建立基于模块处理芯片STM32F103xC的OPC服务器和在Wincc内导入该OPC服务器,完成模块处理器芯片STM32F103xC的运行控制状态可在组态软件Wincc环境下进行组态监控。OPC服务器是过程通信的开放性接口,基于微软COM(OLE for process control)标准,可以解决数据采集及控制模块在Wincc平台上组态监控的兼容性问题。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 工业控制器在生产过程中的运用及其发展  10-11
    1.1.1 工业控制器的运用  10-11
    1.1.2 工业控制器的发展历史  11
  1.2 我国工业控制器的现状及面临的问题  11-12
  1.3 工业控制器在国内、外的研究动态  12-13
  1.4 本文研究的主要内容  13-14
第二章 系统综述  14-22
  2.1 系统简介  14-17
    2.1.1 系统架构  14-15
    2.1.2 系统组成  15-17
  2.2 数据采集及控制模块工作原理  17-18
  2.3 系统的总体结构  18-19
  2.4 系统整体设计方案  19-20
    2.4.1 数据采集及控制模块硬件  19-20
    2.4.2 工控机软件  20
    2.4.3 数据采集及控制模块软件  20
  2.5 系统的特点  20-22
第三章 数据采集及控制模块的硬件设计  22-33
  3.1 数据采集及控制模块的硬件结构  22-23
  3.2 主控模块硬件设计  23-28
    3.2.1 STM32F103xC 介绍  23-26
    3.2.2 通信模块设计  26-27
    3.2.3 “看门狗”应用  27-28
  3.3 数字量/模拟量输入模块设计  28-30
    3.3.1 数字信号输入电路  28-29
    3.3.2 模拟信号输入电路  29-30
  3.4 数字量/模拟量输出模块设计  30-33
    3.4.1 数字量数据输出电路  30-32
    3.4.2 模拟量数据输出电路  32-33
第四章 系统的软件设计  33-56
  4.1 系统软件的总体框架  33-34
  4.2 数据采集及控制模块程序设计  34-41
    4.2.1 IAP 下载程序设计  34-40
      4.2.1.1 IAP 模式介绍  34
      4.2.1.2 IAP 指令简述  34-38
      4.2.1.3 IAP 模式程序设计  38-40
    4.2.2 控制器 STM32F103xC 固化模块设计  40-41
  4.3 组态监控软件设计  41-56
    4.3.1 OPC 服务器开发套件的基本结构  42-43
    4.3.2 OPC 服务器的总体设计方案  43-44
    4.3.3 OPC 服务器与 STM32F103xC 的通信  44-45
    4.3.4 OPC 服务器和 STM32F103xC 之间的数据同步  45-51
    4.3.5 OPC 服务器中组态变量的注册和更新  51-52
    4.3.6 STM32F103xC 中上下位机数据转换机制  52-53
    4.3.7 上下位机通讯实例  53-56
第五章 结论与展望  56-57
参考文献  57-59
致谢  59-60
附录 OPC 服务器程序源代码  60-85

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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