面向工业应用便携型无线调试体系设计与实现

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1、面向工业应用便携型无线调试体系设计与实现1引言1.1课题的研究背景工业控制系统复杂，随着工控系统需求的不断增加，需要在原有工控系统中添加新的功能模块。新的功能模块可能是一个控制单元，或是一个控制子系统，对于新添加的功能模块，应实现与原系统的对接，两者间可能釆用串行总线、并行总线或者无线的连接方式。例如，出铝精准控制系统，就在原有的多功能出铝天车上添加的一个控制精准出铝的控制子系统，通过串口采集电子称的数据，从而获取出铝重量，实现出铝的精准控制⑴。对于新添加的子系统，需要实现与原系统的对接，即实现子系统与原系统之间数据的传输。为使工控设备安全可靠运行，最大限度

2、发挥设备效益，工控设备在安装前，需要对工控设备进行调试。调试系统主要实现对工控设备中故障点的诊断、检测，以及控制器参数的动态调整和监测。首先，应对工控设备中可能出现的故障点进行分析，并针对故障点设计调试方案。其次，工控设备中控制参数的现场调试是一项复杂耗时的工作，需要根据现场的情况，反复修改控制参数以达到最佳的控制效果。传统的调试方式：首先，调试人员需要携带便携机，采用线缆方式对可能出现的故障点进行数据的采集，对可能出现故障的点进行诊断和检测。然后，在故障点诊断或检测无误后，通过观察工业控制设备工作的全过程进行相应的分析。最后，反复修改控制参数，以达到满意的

3、控制效果。由于工业现场环境复杂，存在各种各样的干扰，对工控设备产生意想不到的影响，通过有线连接的方式实现工控设备的现场调试，对于不易接触的设备来说，具有一定的局限性。并且传统的调试方法是通过观察系统的错误行为，分析错误记录来完成，需要等足够长的时间对系统进行观察。显然这样的调试方法已经无法满足复杂工业环境下工控设备的现场调试。.1.2调试系统相关技术随着嵌入式的发展，嵌入式以其硬件和软件可裁剪、可靠性高、功耗以及低成本等优势，已有大量微处理器用于工业控制领域。工控设备对稳定、安全、可靠以及实时性有较高的要求；调试系统中，釆用基于CortexA8结构的S5PV

4、210的ARM微处理器，ARM体系结构采用了精简指令集（RISC)，相比复杂指令集（CISC)具有更好的执行效率。为满足系统设计需求和减小开发成本考虑，本系统选用具有高性能、可裁剪的内核；免费、开放源码；广泛的硬件支持以及软件资源丰富等特点的嵌入式Linux操作系统。在无线技术快速发展的今天，无线技术在工业中的应用也变得更为广泛。基于工业无线技术的现场调试系统与传统的调试系统相比，具有可靠性高、灵活性高、成本低、易使用等优点。对于非接触、环境恶劣对象的调试和监测中充分体现了其价值所在[3]。目前，广泛被应用的短距离无线通信技术主要有Bluetooth、Hom

5、e-RF、IrDA、ZigBee、U、x86、MIPS、PoTD等子系统中被普遍应用。.3调试系统总体设计.........213.1调试系统分析.........213.2精准出铝无线调试系统的设计.........233.3系统硬件平台设计.........243.3.1调试系统上端部分硬件设计.........243.3.2调试系统下端部分硬件设计.........263.4调试系统软件设计.........293.5基于有限状态机的电源驱动优化设计.........343.6本章小结.........354调试系统的实现.........364.1调

6、试系统硬件实现.........364.1.1调试系统上端部分硬件实现.........364.1.2调试系统下端部分硬件实现.........364.2上端部分软件实现.........374.3下端部分软件实现.........374.3.1nRF905驱动实现.........384.3.2上、下端握手模块软件实现.........384.3.3事件注入实现.........394.3.4PLC控制参数调试实现.........404.4基于有限状态机的电源驱动优化实现.........404.5Modbus协议无线/有线混合设计.........43

7、4.6本章小结.........445系统功能验证.........455.1实验室环境验证.........455.2工业现场环境验证.........475.3低功耗分析.........485.4本章小结.........505系统功能验证5.1实验室环境验证出铝精准控制系统采用自动控制技术和无线数据通信技术在多功能天车上开发自动出铝作业系统，达到准确计量单槽出铝量，自动控制单槽出铝精度，实时传输单槽出铝量目的，该系统由三部分组成：1)上位机多功能天车出铝作业管理软件；实现多功能天车管理、调度，电解槽计划出铝量下达，实际出铝量接收和查询统计功能，采用无

8、线数据通信方式。2)出铝作业控制系统；接收上位机调度