邵繼紅

0 引言

分散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System），又稱為集散控制系統(tǒng)或者分布式控制系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來(lái)的。它是由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制等技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

本文介紹了一種典型的分散控制系統(tǒng)——Simax分散控制系統(tǒng)。Simax系統(tǒng)采用并行總線的通信方式，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集IO單元，分散處理單元DPU，以及上位機(jī)顯示控制系統(tǒng)。

Simax系統(tǒng)IO單元的CPU采用ARM7。ARM(Advanced RISC Machines)，是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量廉價(jià)、高性能、低功耗的RISC的處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM7是通用的32位微處理器內(nèi)核，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，具有高性能低功耗的特性，由于其結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的原理而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制要比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單得多，非常容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。

1 DCS的構(gòu)成和Simax的結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)。過(guò)程級(jí)主要由過(guò)程控制站、IO單元和現(xiàn)場(chǎng)儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。操作級(jí)包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級(jí)主要是指工廠管理信息系統(tǒng)，作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。

DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過(guò)程控制站完成的，所以控制程序是由過(guò)程控制站執(zhí)行的。

過(guò)程控制站的組成：

DCS的過(guò)程控制站是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、DPU（分散處理單元）、網(wǎng)絡(luò)接口和IO組成。

IO：控制系統(tǒng)需要建立信號(hào)的輸入和輸出通道，這就是IO。DCS中的IO一般是模塊化的，一個(gè)IO模塊上有一個(gè)或多個(gè)IO通道，用來(lái)連接傳感器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）。

IO單元：通常，一個(gè)過(guò)程控制站是有幾個(gè)機(jī)架組成，每個(gè)機(jī)架可以擺放一定數(shù)量的模塊。DPU所在的機(jī)架被稱為DPU單元，同一個(gè)過(guò)程站中只能有一個(gè)DPU單元，其他只用來(lái)擺放IO模塊的機(jī)架就是IO單元。

Simax系統(tǒng)包含過(guò)程級(jí)和操作級(jí)，其組成模式如圖1。

其中，操作級(jí)主要是中央控制計(jì)算機(jī)，包括組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、監(jiān)控軟件、分析軟件等；控制級(jí)主要是分散處理單元（DPU）以及它控制的各種IO單元。

Simax系統(tǒng)中，中央控制計(jì)算機(jī)通過(guò)并行網(wǎng)線和以太網(wǎng)交換機(jī)與分散處理單元相連接，分散處理單元（DPU）通過(guò)并行總線控制它所帶動(dòng)的各個(gè)IO單元，IO單元分為模擬IO單元和數(shù)字IO單元，每個(gè)模擬IO單元由一塊CPU卡和一塊通道卡組成，可以采集電流、熱電偶、熱電阻等模擬量信號(hào)和輸出電流模擬信號(hào)；每個(gè)數(shù)字IO單元由一塊邏輯卡和一塊通道卡組成，包括數(shù)字量輸入卡和數(shù)字量輸出卡，分別輸入和輸出數(shù)字信號(hào)。

應(yīng)用了ARM7的Simax系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

組網(wǎng)靈活：可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同數(shù)量的中央控制器（DPU），不同數(shù)量的 IO單元，并且可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)IO單元進(jìn)行不同的組態(tài)和配置。

兼容性強(qiáng)：可與不同的的廠家、不同類(lèi)別的二次儀表兼容。

可靠性高：各個(gè)IO單元互不干擾，即使有某些IO單元出錯(cuò)也不會(huì)影響其他單元。低功耗，低成本。

圖3 I2C記錄K，b流程圖

2 ARM7的特性及其在IO單元中的應(yīng)用

Simax系統(tǒng)中應(yīng)用的ARM7是NXP公司的LPC2136，其具有如下特性：小型封裝的32位ARM7TDMI-S微控制器；通過(guò)片內(nèi)倍頻和分頻可達(dá)到最大為60MHz的CPU操作頻率；具有32K片內(nèi)靜態(tài)RAM和256K的片上Flash程序存儲(chǔ)器；支持系統(tǒng)編程（ISP）和應(yīng)用編程（IAP），具有高速的flash編程速度和操作頻率；支持實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤執(zhí)行代碼；具有2個(gè)32位定時(shí)器、PWM單元和看門(mén)狗；低功耗；具有多個(gè)串行接口，包括2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，2個(gè)高速I(mǎi)IC接口和SPI接口；帶有向量中斷控制器，并且可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址等。

LPC2136主要運(yùn)用于Simax系統(tǒng)的IO單元的CPU板上，其作用主要是完成對(duì)通道板的控制以及與分散處理單元（DPU）的通信。

Simax系統(tǒng)中的微處理器LPC2136采用11.0592MHz的外部晶振，通過(guò)片內(nèi)倍頻，CPU的操作頻率為44MHz

以下對(duì)微處理器LPC2136在Simax系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3 數(shù)據(jù)采集

LPC2136通過(guò)SPI串行總線對(duì)IO進(jìn)行配置、控制和采集數(shù)據(jù)，具體包括初始化IO單元上的AD轉(zhuǎn)換器，選通IO通道，采集數(shù)據(jù)，在采集失敗的時(shí)候返回錯(cuò)誤類(lèi)型等。

數(shù)據(jù)采集模塊的流程圖，如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集流程圖

數(shù)據(jù)采集流程：

（1）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置時(shí)鐘周期，中斷，以及LPC2136的GPIO口狀態(tài)等；

（2）初始化SPI，并初始化AD轉(zhuǎn)換器，配置AD轉(zhuǎn)換器的各種參數(shù)。

（3）AD轉(zhuǎn)換器以固定周期采集數(shù)據(jù)并濾波。

（4）選通相應(yīng)的通道（在Simax系統(tǒng)中，各種IO單元帶有不同數(shù)量的通道），通過(guò)SPI總線周期性的將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到LPC2136。

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)程序的重點(diǎn)部分和核心部分，涉及到SPI總線通信、A/D轉(zhuǎn)換、濾波、定時(shí)器、中斷處理等，同時(shí)對(duì)時(shí)鐘周期、實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)精度要求比較高，LPC2136本身的功能特性很好的滿足了這些操作的要求。

4 卡件標(biāo)定

原始的IO單元由于各種原因，會(huì)存在實(shí)際采集到的數(shù)值和理論數(shù)值相比存在偏差，所以在使用之前需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。

對(duì)卡件的標(biāo)定是通過(guò)上位機(jī)標(biāo)定程序進(jìn)行的，上位機(jī)通過(guò)串口與LPC2136的UART口通信，預(yù)寫(xiě)初始的增益和偏移量，然后讀取通道板采集到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)跟理論值對(duì)比和計(jì)算，獲得相應(yīng)的實(shí)際增益和偏移量，并通過(guò)串口發(fā)送給LPC2136，然后LPC2136通過(guò)I2C總線，將這個(gè)實(shí)際的增益和偏移量記錄在IO單元件的E2ROM里面，這樣在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，通道板采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)矯正計(jì)算就能更準(zhǔn)確的表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的各種信息。

LPC2136通過(guò)UART口與上位機(jī)標(biāo)定程序通信進(jìn)行標(biāo)定的流程圖，如圖2所示：

圖2 LPC2136與標(biāo)定程序通信流程圖

LPC2136通過(guò) I2C總線記錄增益和偏移量的流程圖如圖3所示：

卡件標(biāo)定流程：

（1）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置時(shí)鐘周期，中斷，以及CPU的IO口狀態(tài)等；

（2）初始化I2C，UART，配置I2C、UART的各個(gè)參數(shù)

（3）上位機(jī)首先會(huì)讀取IO單元上鐵電記錄的增益K和偏移量b，如果為空，則寫(xiě)入初始值，增益為1，偏移量為0；

（4）上位機(jī)讀取CPU采樣數(shù)據(jù)，如果滿足精度要求，則保持原有的K，b；若不滿足要求，則寫(xiě)入初始K，b，并根據(jù)相應(yīng)的IO單元件信息量程的95%和5%處的理論數(shù)據(jù)和采樣得到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出合適的K和b

（5）上位機(jī)通過(guò)串口將計(jì)算得出的K,b發(fā)送到CPU，CPU通過(guò)I2C總線將K，b記錄到IO單元件上面的鐵電相應(yīng)的地址。

標(biāo)定模塊關(guān)系到采集到的數(shù)據(jù)的精度，關(guān)系到采集到的信息的可信度和信息的準(zhǔn)確度。

5 并行總線通信

IO單元通過(guò)并行總線與分散處理單元（DPU）通信，并行總線傳遞分散處理單元（DPU）對(duì)IO單元下發(fā)的命令和組態(tài)，以及IO單元對(duì)分散處理單元（DPU）命令的響應(yīng)和采集到的數(shù)據(jù)。

具體通信過(guò)程如下：DPU通過(guò)并行總線將命令下發(fā)到IO單元的FPGA，F(xiàn)PGA將命令發(fā)送到LPC2136的IO口，CPU通過(guò)IO口的狀態(tài)并通過(guò)串轉(zhuǎn)并得到相應(yīng)的命令；CPU向DPU發(fā)送數(shù)據(jù)和響應(yīng)是上述過(guò)程的反過(guò)程。

CPU并行總線通信的流程圖，如圖4所示：

圖4 CPU并行總線通信流程圖

DPU和CPU通信包括各種控制命令和數(shù)據(jù)，具體有狀態(tài)查詢、組態(tài)、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、出錯(cuò)處理等。具體過(guò)程是：上位機(jī)查詢IO單元的工作狀態(tài)，包括工作或備用、是否已組態(tài)等，IO單元的CPU向上位機(jī)返回IO單元的當(dāng)前狀態(tài)；上位機(jī)對(duì)IO單元進(jìn)行組態(tài)，IO單元的CPU向上位機(jī)返回IO單元的當(dāng)前組態(tài)；上位機(jī)讀取IO單元采集到的數(shù)據(jù)或向IO單元輸出信號(hào)，IO單元的CPU向上位機(jī)返回IO單元采集到的數(shù)據(jù)或者返回收到的信號(hào)。在IO單元與DPU通信過(guò)程中，如果IO單元出錯(cuò)，則向上位機(jī)返回相應(yīng)的出錯(cuò)信息。

6 結(jié)論

ARM7的應(yīng)用使DCS的實(shí)時(shí)性更好，準(zhǔn)確度更高。由于ARM7集成了各種功能模塊，使DCS的兼容性更好，同時(shí)ARM7的應(yīng)用還降低了DCS的功耗和成本。

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