控制工程毕业论文范文篇一
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
本文针对上述背景环境，通过对嵌入式技术的灵活运用，结合开源的 Linux 操作系统，设计了一套能监测工业环境参量的多功能工业生产控制系统。该系统由下位机和上位机两部分组成。下位机作为服务器，它基于 ARM9 嵌入式处理器，集数据采集、数据传输、图像采集、图像传输、短信报警、图形化显示等功能于一体，为工业生产环境提供便携可靠、稳定安全的智能控制；上位机充当客户端，提供完善的数据管理机制，支持 Access 数据库系统。上位机提供了与下位机进行交互的方法，它将下位机采集到的数据保存至数据库系统并作相应的智能化处理，最终以图形化的方式进行显示。
1.2 工业控制系统研究现状
工业控制系统早在上世纪 50 年代中后期就起步了，目前工业控制系统按结构层次大致划分为：计算机集中控制系统（CCS）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）。现如今，随着嵌入式技术、网络通信技术、现场总线技术等的不断发展，又出现了以嵌入式 CPU 强大的处理能力为载体，现场总线与网络技术相结合的新一代工业控制系统。
1.2.1 计算机集中控制系统（CCS）
计算机集中控制系统（CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线的方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。
1.2.2 集散控制系统（DCS）
1.2.3 现场总线控制系统（FCS）
集散控制系统（DCS）不断在完善，为了更进一步满足工业现场需要，现场总线控制系统（FCS）就此产生。现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，FCS 实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。它是全数字化、智能、多功能的系统，取代了模拟式的单功能仪器仪表和控制装置，在总线上，各仪器仪表、控制装置都是平等的。现场总线控制系统的核心是总线标准，基础是数字智能现场装置，本质是信息处理现场化。通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，它用两根线连接分散的现场仪表，控制装置、PID 与控制中心，取代每台仪器两根线。现场总线控制系统用单个现场仪表可以实现多变量通信，不同厂商生产的设备之间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分方便。传统的过程控制仪表系统每个现场设备到控制室都需使用一对专用的双绞线，以传送 4~20mA 信号；现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。主流的现场总线标准协议有 FF，LonWorks[3]，Profibus[4]，HART，CAN 以及 Modbus[5-10]等。Modbus 协议是应用在工业控制器上的一种通用语言，通过 Modbus 协议，不同厂商生产的控制器之间，控制器与设备之间可以进行通信，它已成为通用的工业标准。Modbus 协议定义了一个消息结构，它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，如何侦测错误并记录。当在一个 Modbus 网络环境中通信时，此协议决定了每个工业控制器必须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，然后决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用 Modbus 协议发出。在其它网络上，包含了Modbus 协议的消息需要转换为在此网络上使用的帧或包结构。
第二章 多功能工业生产控制系统总体设计
2.1 多功能工业生产控制系统概述
多功能工业生产控制系统中主要包括下位机和上位机两部分。下位机结合工业级芯片AT91SAM9G45 和开源的嵌入式 Linux 系统进行设计，不仅实现了工业生产环境中数据的采集、传输与显示，还拥有短信报警、远程视频监控和电力线远程传输等功能。下位机开发流程如图 2.1 所示。我们所外接的监测参量传感设备输出的都是 4~20mA 工业标准电流信号，考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线上产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差了，所以这里我们使用电流信号作为传感器或变送器的标准输出。下位机系统的数据采集卡型号为 S3103，S3103 是一款高质量、低损耗的模拟数据采集模块。它总共有 12 路输入通道，每通道都有避雷和过载保护。经过同样具有过载保护的 485总线输出，且输出被高速光耦合器隔离，这样可以有效的减少串口通信的干扰。S3103 模块作为从设备，可以被嵌入式主板的 485 口通过 Modbus 协议进行控制。
第三章 多功能工业生产控制系统.... 12
3.1 嵌入式硬件平台设计 ...... 12
3.2 嵌入式软件平台搭建 ....... 15
3.2.1 交叉编译环境安装 ..... 16
3.2.2 编译引导程序 ....... 17
3.2.3 定制内核 ......... 19
3.2.4 根文件系统及 QT/E 开发坏境搭建......... 21
3.3 本章小结 ......... 24
第四章 多功能工业生产控制系统.... 25
4.1 多功能工业生产控制系统上位机设计概要....... 25
4.2 图形界面设计 ....... 27
4.2.1 软件开发平台介绍 ..... 28
4.2.2 界面设计流程及效果图 ......... 29
4.3 数据库管理 ..... 33
4.3.1 常用数据库软件介绍 ....... 33
4.3.2 Access 数据库设计 ...... 34
4.4 本章小结 ......... 35
第五章 多功能工业生产控制系统...... 36
5.1 远程视频监控技术 ..... 36
5.2 电力线远程传输技术 ....... 42
5.3 本章小结 ......... 44
结论
多功能工业生产控制系统的研究与设计经过前期的准备，中期的编程调试，再到后期的整机测试，整整花了一年半的时间。期间出现或大或小的问题有很多，最终通过查阅大量的资料和询问老师同学这些问题最终都得以解决。在多功能工业生产控制系统下位机的设计过程中，主要遇到了以下 2 个难点。（1）使用 USB 转串口调试短信猫的时候，短信不能发送成功，信息打印不全，而将 SBC6845开发板上的串口连接短信猫后，开发板则不能正常启动。（2）使用 SBC6845 开发板自带 485 接口调试同为 RS485 接口[58]的数据采集卡时，采集到的数据会不正常，必需通过 232 转 485 接口才能正常通信。针对第一个问题，首先要将 SBC6845 开发板上的调试串口修改为普通串口，这涉及到Uboot 和 Linux 内核源码的修改。Uboot 在 at91sam9m10g45ek.h 头文件中修改，“--”为修改前的代码，“++”为修改后的代码。
当然，该系统还有很大的提升空间。比如根据用户的要求可以在视频监控系统方面加入图像识别的功能，识别监控空间中运动的人或物，提高系统的智能监控能力。这方面有开源成熟的 OpenCV 库可供参考。又或者我们在下位机就可以进行数据的处理分析，结合嵌入式 SQLite 数据库，充分利用 CPU 和内存的资源等等。这些功能，我们在未来都可去努力实现。
参考文献
[1] 谢松云, 张建, 王公望, 董大群. 工业计算机控制系统的应用现状和发展方向[J]. 测控技术,1999,18(8).
[2] 欧阳劲松,梅恪.现场总线国际标准化概况[J]. 自动化仪表,1999,3.
[3] Hur Sung-Hoe, Kim Dongwon, Park Gwi-Tae. Building automation system via LonWorksand Linux based personal computer. Automation in Construction. 2006, Page(s):522-530.
[4] Zhang Hao, Li Yanan, Zhu Huiling. Development for protocol conversion gateway ofProfibus and Modbus. 2011 International Conference on Advanced in Control Engineering andInformation Science, CEIS 2011.2011, Page(s):767-771.
[5] Peng Daogang, Zhang Hao, Li Yang, Li Hui. Design and realization of modbus protocolbased on embedded Linux system. Proceedings - The 2008 International Confer
