现场总线的开关量 I/O 模块的设计总述及基本名词解释

1.4关键技术分析

1.4.1现场总线技术现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。现场总线类型主要有：FF、ProfiBus、ControlNet、P-NET、InterBus、CAN和Modbus等。这些总线各有各的规范，互不兼容。

现场总线控制系统有如下主要优点：

(1 )全数字化。在采用现场总线控制系统的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。

(2 )全分布。在现场总线控制系统中，各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，实现真正的分布式控制。

(3 )双向传输。对于传统的4-20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备在一条线上则可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信号。

(4 )自诊断。现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。

(5 )节省布线及控制室空间。传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个搭配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，只需较少的线进入中央控制室，这样就大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。

(6 )多功能仪表。数字双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制于一体的变送控制器。

(7 )开放性。1999年底现场总线协议已被IEC批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。

(8 )互操作性。现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进有效的竞争，降低控制系统的成本。

(9 )智能化与自治性。现场总线设备具有很高的智能，能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，甚至能在部件、网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性。

现场总线突破了DCS系统中因专用通信网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备连接成控制网络，组合成各类控制系统，实现综合自动化的各种功能。其突出特点是开放性、分散性与数字通信。

1.4.2嵌入式技术

●嵌入式系统

根据IEEE (国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能”。在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、工业控制等方方面面中，而且工业控制是嵌入式系统重要的应用领域。

嵌入式系统的主要特点：

(1 )系统内核小。嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。

(2 )专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。

(3 )系统精简。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余。

(4 )具有实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。软件代码要求高质量和高可靠性。

(5 )支持多任务。嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。

嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行：但是为了合理的调度多任务。利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS( Real-Time Operating System )开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性并减少开发时间。

(6 )嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成后，用户通常不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发是需要交替结合进行。

●嵌入式操作系统

嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。它是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在操作系统之上，它在知识体系和技术本质上与通用操作系统没有太大的区别，一般用于比较复杂的嵌入式系统软件开发中。由于大多数嵌入式系统应用在实时环境中，因此嵌入式系统一般具有实时特点。

嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。为了满足嵌入式系统的需要，嵌入式操作系统必须要包括操作系统的一些最基本的功能，如中断处理与进程调度，用户可以通过应用程序接口(API)来使用操作系统。

●嵌入式开发过程

在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机之分：宿主机是执行编译、链接、定址过程的计算机;目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首先须把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包含三个步骤：编译、链接、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编译器就是运行在一个计算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。常用的交叉编译器有GNUC/C++ (gcc)。编译过程产生的所有目标文件被链接成一个目标文件，称为链接过程。定址过程会把物理存储器地址指定给目标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上执行的二进制文件。常用的集成开发工具有ADSl.2等。

嵌入式开发过程中另一个重要的步骤是调试目标机上的应用程序。嵌入式调试采用交叉调试器，一般采用宿主机-目标机的调试方式，它们之间由串行口线或以太网或BDM线相连。交叉调试有任务级、源码级和汇编级的调试，调试时需将宿主机上的应用程序和操作系统内核下载到目标机的RAM中或直接烧录到目标机的FLASH中。目标监控器是调试器对目标机上运行的应用程序进行控制的代理( Debugger Agent)，事先被固化在目标机的Flash、ROM中，在目标机上电后自动启动，并等待宿主机方调试器发来的命令，配合调试器完成应用程序的下载、运行和基本的调试功能，将调试信息返回给宿主机[5 ]。