基于ARM的嵌入式网关在加弹机电控系统中的运用

苏州大学硕士学位论文基于ARM的嵌入式网关在加弹机电控系统中的运用姓名：朱焱申请学位级别：硕士专业：工程硕士指导教师：吴红卫2010-10I基于ARM的嵌入式网关在加弹机电控系统中的运用中文摘要加弹机是化纤用纺织机械的一种，它是将涤纶、丙纶等无捻丝，通过假捻变形加工后成为具有中弹、低弹性能弹力丝的一种纺织机械。随着国内纺织行业逐渐做大做强，对加弹机电控系统的要求也越来越高。特别是来自企业管理信息化的需求，使得加弹机电控系统向着数字化、自动化、低能耗的方向发展。本文所介绍的ARM（AdvancedRISCMachines）嵌入式网关，是为了满足加弹机用户企业信息化的要求而设计开发的。文章首先分析了以PLC（ProgramLogicControl）为核心的加弹机电控系统的优缺点，接着提出了基于嵌入式网关的加弹机电控系统平台。该平台的核心是嵌入式网关，通过该网关将采用现场总线协议的机台控制网络与以太网进行互联，以提高企业实现信息化的能力。本文完成了嵌入式网关的硬件系统设计和软件设计。硬件以ARM7处理器LPC2292为核心，外加电源电路、存储器电路、CAN（ContentAddressableNetwork）总线接口、RS485总线接口、以太网接口等。软件设计首先完成了μC/OS-II在ARM芯片上的移植，然后实现了协议的转换。整个方案设计有以下几个特点：1．根据加弹机的实际使用要求，本网关设计集成了CAN总线、RS485和以太网通信接口。每个机台可以配备多个网关，以满足数据实时性的要求。2．为了提高系统的抗干扰能力，硬件方案采取了多种抗干扰的措施，主要体现在线路板、电源、通信接口等方面的设计，目的是提高硬件在恶劣环境下工作的稳定性。3．系统可扩展8M缓存，使网关能有足够的空间进行程序扩展。移植的μC/OS-II操作系统使得整个系统在多任务条件下可以更好地协调工作。目前系统已通过了样板的测试，以太网端通信速率可达2Mbit/s,CAN总线端可达1Mbit/s，初步证明了设计方案的可行性。关键词：加弹机，ARM，网关，CAN，以太网，TCP/IP作者：朱焱指导教师：吴红卫IIApplicationofARM-basedembeddedgatewayintheelectricalcontrolsystemofdrewtexturingmachineAbstractDrewtexturingmachineisonekindoftextilemachinerywhichhasbeenusedinchemicalfiberfield.Itprocessespolyester,polypropyleneandotheruntwistedyarnandproducestheelasticyarnwiththelowandhighelasticity.Nowadays,withthegradualenlargingandstrengtheningofthedomestictextileindustry,thetechnicalrequirementoftexturingmachinebecomeshigherandhigher.EspeciallyondemandofEnterpriseManagementInformation,theelectricalcontrolsystemoftexturingmachinegoestowardsthetrendsofdigitization,automationandenergysaving.Inordertoachievethetargetofenterprisemanagementinformationfortexturingcompany,thegatewaybasedontheARMsystemhavebeenintroducedanddevelopedinthispaper.ItfirstanalyzestheadvantagesandweaknessesofPLCcontrolsystemthatispopularlyusedintexturingmachinenow.Andthen,itproposesonenewelectricalcontrolsystembasedonanARMembeddedgateway.Throughthisgateway,themachinecontrolnetworkbasedonfieldbusprotocolcancommunicatewiththeEthernetsoastoboosttheinformationallevelofenterprises.Thehardwareandsoftwaredesignofthisgatewayhavebeenintroducedinthispaper.ThecoreofhardwareisLPC2292,anARM7processor,andthehardwarealsoincludesothercircuitmodules,suchaspowersupply,RS485communicationinterface,CANbusinterface,memoryexpansioncircuit,andEthernetinterface,etc.SoftwaredesignisfirsttransplantingμC/OS-IIoperationsystemontheARMprocessor,andthenimplementstheprotocolconversion.Thewholedesignhasthefollowingcharacteristics:1.Basedonthedemandofdrewtexturingmachine,thegatewaysystemhaveintegratedprotocolsofCAN-bus,RS-485andEthernet.Oneormoregatewayscanbeinstalledinonemachinesoastoimprovetherealtimeperformanceofdatacommunication.2.InordertopromotetheabilityofEMC,severalmethodsofanti-jamminghavebeenemployedinthehardwaredesign,whichmainlyappearinthepowersupplydesign,PCBdesign,communicationinterfacedesign,andsoon.Thetargetistoimprovethesystemstabilityunderharshenvironments.III3.Thesystemcanbeexpandedtohave8Mmemoryinordertoprovideenoughspaceforsystemexpand,andthetransplantedμC/OS-IImakessystemrunbetterundermultitask.Thecurrentsystemhaspassedthesampletest,therateoftheEthernetendsystemisupto2Mbit/s,andthatofCANbusisupto1Mbit/s,whichshowthefeasibilityofthedesignscheme.Keywords:drewtexturingmachine,Gateway,CAN,Ethernet,TCP/IPWrittenbyZhuYanSupervisedbyWuHongweiII苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果.除文中已经注明引用的内容外,本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料.对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明.本人承担本声明的法律责任.研究生签名：日期：________学位论文使用授权声明苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文.本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致.除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容.论文的公布（包括刊登）授权苏州大学学位办办理.研究生签名：日期：导师签名：日期：基于ARM的嵌入式网关在加弹机电控系统中的运用第1章引言1第1章引言1.1课题研究背景加弹机又名假捻变形机，是化纤用纺织机械的一种，它是将涤纶、丙纶等无捻丝，通过假捻变形加工后成为具有中弹、低弹性能的弹力丝的一种纺织机械。纺织机械产品是机电一体化程度很高的产品，它集机械科学、电力电子技术、计算机科学技术及软件工程等学科于一体[1]。新型纺织机械的开发设计都采用现代先进的电气、电子和计算机技术，包括人机对话、在线控制、远程诊断、网络信息共享等技术。而制造出满足用户需求的高速、高效、高技术含量的设备，为用户节省人力、物力、财力，提高产成品的质量，提高用户的经济效益和竞争力，是所有开发企业努力的方向。作为化纤纺织机械的一种，加弹机的电控系统是随着电子技术的发展而逐步发展的，近十年来，随着微电子技术，计算机网络技术与信息技术的发展，特别是嵌入式ARM（AdvancedRISCMachine）技术的发展，使得以32位系统为核心的嵌入式技术在工控等领域得到日益广泛的应用，其所具有的高可靠性、高性价比、高度集成化等特点，为加弹机控制系统的改进提供了条件。目前各国的纺织机械提供商都相继开发了以32位系统为核心的嵌入式技术作为纺织机械的控制核心。纵观国外加弹机控制系统的发展，32位嵌入式技术、现场总线技术、以太网技术在加弹机控制系统中的应用已经相当广泛。国内加弹机电控系统的发展是在消化吸收国外技术的基础上，以节约成本为主线，逐渐发展成熟的。现在国内主流的加弹机控制系统都使用PLC作为控制器，以触摸屏做为人机界面，这套系统的组合达到了精简成本的目的，而且系统稳定，易于维护,但这种系统不易于扩展，对于一些高端的应用很难实现。特别是触摸屏，由于其内存、CPU速度等方面的局限性，相比PC来说，在性能上还是略显不足。因此需开发一套新的系统，以满足客户越来越多样化的需求。随着多年的发展，我国已经成为加弹机的主要市场，在国内，客户的规模差异非第1章引言基于ARM的嵌入式网关在加弹机电控系统中的运用2常大，有世界第一的大型纺织集团，也有只有几台加弹机的作坊式工厂。而不管是大集团，还是小工厂，他们都希望通过加强企业信息化管理来提高工作效率，希望投资一些软件，将所有的机器联网并进行集中控制，以充分掌握所有机台的数据。但这样的软件，大多都是由国外公司提供，价格昂贵，维护成本高，而国内的客户大多面临成本的压力，无法投资这样的软件。而国内加弹机供应商，在实现企业信息化上还没有迈出自己的脚步，因此在这一方面还是一个空白。为了实现上述目标，提升国内加弹机电控系统的水平，本文在分析主流加弹机控制系统特性的基础上，提出了基于ARM嵌入式系统为核心的新的电控系统方案。新方案采用PC作为上位机，ARM嵌入式网关作为协议转换中枢，将现场设备与PC通过网关互通互连。本文从理论上分析了基于ARM嵌入式技术的加弹机控制方案的可行性，而且完成了协议装换网关的软硬件设计。1.2关键研究技术本课题通过对现有加弹机PLC控制系统的分析，指出了现有PLC控制系统的优缺点，并结合现今ARM嵌入式控制技术的研究应用，提出如何将ARM嵌入式控制系统运用于加弹机，为将现场设备控制层与信息网络层进行互通提供可行性方案。其中所运用的关键技术有ARM嵌入式系统技术，现场总线和以