MSCIS接口控制系统AO及CCTR卡硬软件设计研制
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摘要
随着计算机硬件和软件技术的快速发展，一贯以高可靠性、高价格为特性的工业控制领域中的计算机技术发生了很大的变化。分布式控制系统(DCS)，由于其功能分散、负荷分散、故障分散、管理集中和易于扩展的特点被广泛地应用于现代工业过程，成为当前工业控制领域最活跃的一个分支。
MSCIS(Marine Simulation & Control Interface System)是为现代船舶轮机仿真训练器开发研制的一套分布式智能输入／输出接口控制系统。它实现了仿真系统接口计算机及控制盘台或其它硬件间的数字量／模拟量的相互转换及传输。MSCIS接口系统继承了DCS的特点和优点，采用分布式的结构，由一个上位主机和数个下位I／O接口机箱组成。上位主机集中监控通信链路中各个下位I／O接口机箱，下位I／O接口机箱直接连接控制盘台或其它硬件设备，分散控制接口系统的各个输入输出通道。下位I／O接口机箱中的功能板卡支持四种不同类型的输入输出通道，各个功能板卡独立工作，互不干涉，其中一个输入或输出通道出现故障不会影响其它的输入或输出通道正常工作。
MSCIS接口系统具有功能全面、组态灵活、I／O接口点多、实时性好、可靠性高、可移植性强且性价比高的优点，同时也可用于其它系统仿真工程、工业控制工程等领域。MSCIS智能化接口控制系统的研制，是我校独立研制分布式接口系统的一次尝试，不仅锻炼和提高了自主开发船舶仿真训练器I／O接口系统的研发能力，而且降低了整个仿真系统的硬件成本，为实现整个仿真系统自主化研制跨出了重要的一步，具有很大的现实意义和经济效益。
论文是在研制MSCIS接口系统的基于CAN总线的高速智能控制卡和模拟量输出接口卡的基础上完成的。整个研究工作从MSCIS接口系统的硬件设计和软件编程两方面展开。系统研制开发过程主要分以下几个步骤：
1．首先应用Protel99软件设计高速智能控制卡和模拟量输出接口卡的硬件原理图，再设计印刷电路板图并送厂制板；
2．对板卡硬件调试，线路排错，芯片测试；
3．编写高速智能控制卡和模拟量输出卡的汇编语言控制程序，在SUPER ICE16仿真器上仿真调试；
4．利用SUPER ICE16仿真器连接板卡，在线仿真调试模拟量输出卡和控制卡的控制程序以及CAN总线通信测试；
武汉理工大学硕士学位论文
5.把仿真调试成功的控制程序烧入EPROM芯片，进行EPROM仿真调试;
6.脱机调试模拟量输出卡和控制卡以及以N总线数据通信;
论文从智能化MSCIS接口控制系统的组成、原理上介绍了系统的硬、软
件设计技术和设计经验。硬件上，内容涵盖了高速智能控制卡和模拟量输出
接口卡的硬件电路设计、抗干扰技术、芯片控制程序设计和硬件升级方案;
软件上，注重程序结构模块化，运用ASM96宏汇编语言编写系统程序，包括
主程序、通信中断服务程序、控制输出程序等。
With the rapid development of hardware and software technology, computer technology in the field of industry control has taken great place, with persistent high reliability and high price. Distributed control system (DCS), with the characteristic of centralization of its management and the distribution of its functions, burthen and malfunction, is used widely in the process of modern industry, and become one of the most active branch.
MSCIS(Marine Simulation & Control Interface System) is a set of distributed intelligent Input/Output interface control system developed for the modern marine engine simulator. It realizes the data conversion and transport of simulation system interface between computer and control panel or other hardware. It succeeds to the characteristic and strongpoint of DCS, and adopts distribution pattern, which composes of one upside host computer and some downside I/O interface crates. The upside host computer fasten on controlling each downside I/O interface crate on the communication chain, and downside I/O interface crates directly connect with control panel or other hardware devices and dispersedly control each input and output channels of the interface system. The downside I/O function cards in the interface crate support four types of I/O channel, and each function card works independently. If one I/O channel emerges malfunction, it will not impact normal work of other I/O channel.
MSCIS interface system is provided with complete function, flexible configuration, many I/O interface dots, good real time, high dependability, high replantation ability and high ratio of capability to price. Besides, it can be used in the field of other system simulation projects and industry control project. The research on MSCIS intellectualization interface control system is an attempt to study independently distributed interface system. That not only improves the ability to develop modern marine engine simulator I/O interface system but also decreases the hardware cost of simulator system, what's more, it contributes to realize independent research on all the simulator system, and has great realistic meaning and economic meaning.
This paper is based on developing the high-speed intelligent control card
about CAN bus of MSCIS interface system and analog output card. The entire tasks are divided into hardware designing and software programming of the MSCIS interface system. The main process of the development on system is as follows:
1. Firstly, apply Protel99 software to design the SCH chart of the high-speed intelligent control card and analog output card, secondly, design PCB charts and send them to the factory.
2. To debug on the hardware, eliminate circuitry errors, and test on every chip.
3. To program assemble language control software of the analog output card and control card, and debug on the SUPER ICE 16 simulator.
4. To utilize the SUPER ICE 16 simulator to link card to debug the control programs of the analog output card and the high-speed intelligent control card online and to test on the CAN bus communication;
5. To Embed the control program debugged successfully into EPROM, and debug the system on EPROM;
6. To debug offline the analog output card, the main control card, and CAN bus data communication.
This paper introduces hardware and software technology and design experience from the structure and principium of the intellectualization MSCIS interface control system. On the aspect of hardware, it refers to the hardware circuit design of the high-speed control card and the analog output card, anti-jamming technology, chip software programming, and hardware upgrade project; on the aspect of software technology, it relates to the design idea of program frame modularization and using ASM96 assembly language to compile system software including main program and communication interrupt service program and controlling output program.
MSCIS(Marine Simulation & Control Interface System)是为现代船舶轮机仿真训练器开发研制的一套分布式智能输入／输出接口控制系统。它实现了仿真系统接口计算机及控制盘台或其它硬件间的数字量／模拟量的相互转换及传输。MSCIS接口系统继承了DCS的特点和优点，采用分布式的结构，由一个上位主机和数个下位I／O接口机箱组成。上位主机集中监控通信链路中各个下位I／O接口机箱，下位I／O接口机箱直接连接控制盘台或其它硬件设备，分散控制接口系统的各个输入输出通道。下位I／O接口机箱中的功能板卡支持四种不同类型的输入输出通道，各个功能板卡独立工作，互不干涉，其中一个输入或输出通道出现故障不会影响其它的输入或输出通道正常工作。
MSCIS接口系统具有功能全面、组态灵活、I／O接口点多、实时性好、可靠性高、可移植性强且性价比高的优点，同时也可用于其它系统仿真工程、工业控制工程等领域。MSCIS智能化接口控制系统的研制，是我校独立研制分布式接口系统的一次尝试，不仅锻炼和提高了自主开发船舶仿真训练器I／O接口系统的研发能力，而且降低了整个仿真系统的硬件成本，为实现整个仿真系统自主化研制跨出了重要的一步，具有很大的现实意义和经济效益。
论文是在研制MSCIS接口系统的基于CAN总线的高速智能控制卡和模拟量输出接口卡的基础上完成的。整个研究工作从MSCIS接口系统的硬件设计和软件编程两方面展开。系统研制开发过程主要分以下几个步骤：
1．首先应用Protel99软件设计高速智能控制卡和模拟量输出接口卡的硬件原理图，再设计印刷电路板图并送厂制板；
2．对板卡硬件调试，线路排错，芯片测试；
3．编写高速智能控制卡和模拟量输出卡的汇编语言控制程序，在SUPER ICE16仿真器上仿真调试；
4．利用SUPER ICE16仿真器连接板卡，在线仿真调试模拟量输出卡和控制卡的控制程序以及CAN总线通信测试；
武汉理工大学硕士学位论文
5.把仿真调试成功的控制程序烧入EPROM芯片，进行EPROM仿真调试;
6.脱机调试模拟量输出卡和控制卡以及以N总线数据通信;
论文从智能化MSCIS接口控制系统的组成、原理上介绍了系统的硬、软
件设计技术和设计经验。硬件上，内容涵盖了高速智能控制卡和模拟量输出
接口卡的硬件电路设计、抗干扰技术、芯片控制程序设计和硬件升级方案;
软件上，注重程序结构模块化，运用ASM96宏汇编语言编写系统程序，包括
主程序、通信中断服务程序、控制输出程序等。
With the rapid development of hardware and software technology, computer technology in the field of industry control has taken great place, with persistent high reliability and high price. Distributed control system (DCS), with the characteristic of centralization of its management and the distribution of its functions, burthen and malfunction, is used widely in the process of modern industry, and become one of the most active branch.
MSCIS(Marine Simulation & Control Interface System) is a set of distributed intelligent Input/Output interface control system developed for the modern marine engine simulator. It realizes the data conversion and transport of simulation system interface between computer and control panel or other hardware. It succeeds to the characteristic and strongpoint of DCS, and adopts distribution pattern, which composes of one upside host computer and some downside I/O interface crates. The upside host computer fasten on controlling each downside I/O interface crate on the communication chain, and downside I/O interface crates directly connect with control panel or other hardware devices and dispersedly control each input and output channels of the interface system. The downside I/O function cards in the interface crate support four types of I/O channel, and each function card works independently. If one I/O channel emerges malfunction, it will not impact normal work of other I/O channel.
MSCIS interface system is provided with complete function, flexible configuration, many I/O interface dots, good real time, high dependability, high replantation ability and high ratio of capability to price. Besides, it can be used in the field of other system simulation projects and industry control project. The research on MSCIS intellectualization interface control system is an attempt to study independently distributed interface system. That not only improves the ability to develop modern marine engine simulator I/O interface system but also decreases the hardware cost of simulator system, what's more, it contributes to realize independent research on all the simulator system, and has great realistic meaning and economic meaning.
This paper is based on developing the high-speed intelligent control card
about CAN bus of MSCIS interface system and analog output card. The entire tasks are divided into hardware designing and software programming of the MSCIS interface system. The main process of the development on system is as follows:
1. Firstly, apply Protel99 software to design the SCH chart of the high-speed intelligent control card and analog output card, secondly, design PCB charts and send them to the factory.
2. To debug on the hardware, eliminate circuitry errors, and test on every chip.
3. To program assemble language control software of the analog output card and control card, and debug on the SUPER ICE 16 simulator.
4. To utilize the SUPER ICE 16 simulator to link card to debug the control programs of the analog output card and the high-speed intelligent control card online and to test on the CAN bus communication;
5. To Embed the control program debugged successfully into EPROM, and debug the system on EPROM;
6. To debug offline the analog output card, the main control card, and CAN bus data communication.
This paper introduces hardware and software technology and design experience from the structure and principium of the intellectualization MSCIS interface control system. On the aspect of hardware, it refers to the hardware circuit design of the high-speed control card and the analog output card, anti-jamming technology, chip software programming, and hardware upgrade project; on the aspect of software technology, it relates to the design idea of program frame modularization and using ASM96 assembly language to compile system software including main program and communication interrupt service program and controlling output program.
引文
[1]孙涵芳．Intel 16位单片机．北京航空航天大学出版社，1998年3月：1～144，263～308
[2]白焰等．分散控制系统与现场总线控制系统．中国电力出版社，2001年3月：1～102
[3]汪建，MCS-96系列单片机原理及应用技术．华中理工大学出版社，1998年10月，1～268
[4]赵曙光，郭万有，杨颂华．可编程逻辑器件原理、开发与应用．西安电子科技大学出版社．2000年8月：1～5，31～35
[5]Microcontroller Handbook. INTEL, 1988
[6]INTEL. 16-Bit Embedded Controllers, 1991
[7]唐世林，李红宁．电站仿真机并行分布式智能I/O接口系统．华北电力技术，1996年第9期：55～59
[8]宋万杰，罗丰，吴顺君．CPLD技术及其应用，西安电子科技大学出版社．2000年8月：1～19，132～167，199～243
[9]彭杏芳．可编程逻辑器件与硬件描述语言．武汉大学出版社，1999年：8～18
[10]王幸之，王雷，翟成，王闪．单片机应用系统抗干扰技术．北京航空航天大学出版社，2000年9月：347～375
[11]Scheingold D H. Analog-Digital Conversion Notes. Norwood:Analog Devices Inc.,1997
[12]张桂香，王辉．计算机控制技术．电子科技大学出版社，1999年5月：105～150
[13]程树良．分布式智能I/O接口系统及程序设计．计算机应用，2000年第5期：60～62
[14]耿德根．通用可编程列逻辑(GAL)芯片原理与应用．江苏启东计算机厂，1990年3月：1～48
[15]Integrated Circuits Databook. Norwood: Analog Device Inc., 1989～1993
[16]Kuo B C. Digital Control Systems. Holt, Rinelart and Wiston Inc.,1980
[17]李朝青，单片机原理及接口技术．北京航空航天大学出版社，1998年3月：102～140
[18]李明学，周广兴，于海英，孔庆臣．计算机控制技术．哈尔滨工业大学出版社，2001年10月：1～50，200～260
[19]何克忠，李伟．计算机控制系统．清华大学出版社，1998年4月：1～35，369～456
[20]Tasking Software BV, 80C196 Utilities User's Guide Manual, 1996
[21]Kuo, BC. Digital Control Systems. New Yourk:Holt, Rinehart and Winston Inc.,1980.
[22]蒋璇，臧春华．数字系统设计与PLD应用技术．电子工业出版社，2001年1月：115～136
[23]杨振江．A/D、D/A转换器接口技术与实用线路．西安电子科技大学出版社，1996年11月：1～52
[24]倪远平，罗毅平．计算机控制技术．重庆大学出版社，2000年7月：1～27，104～184
[25]Franklin G F, Powell J D. Digital Control of Dynamic Systems. Addison-Wesley Publishing Company, 1980
[26]李杏春，徐平，李华，赵嘉蔚等．8098单片机原理及实用接口技术．北京航空航天大学出版社，2001年1月：1～42，145～149，307～391
[27]孙涵芳，徐爱卿．MCS—51/96系列单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社，1996年5月：1～172，407～424
[28]冯涛，王程．可编程逻辑器件开发技术—MAX+PLUSⅡ入门与提高．人民邮电出版社，2002年8月：1～22
[29]王汉义．模—数与数—模转换技术基础．哈尔滨船舶工程学院出版社，1986年5月：1～132
[30]邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京航空航天大学出版社，2001年3月：1～60，187～276
[31]Multiplying-DAC-Application. Norwood: Analog Device Inc.,1994
[32]张卫杰 魏震生 路平．基于80C196KC微处理器的高速串行通讯．电子技术应用，2000年第1期：50～52
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[41]Stanley W D. Digital Signal Processing. Reston Publishing Company, Inc., 1975
[42]张培仁，王洪波．独立CAN总线控制器SJA1000．国外电子元器件，2001年第1期
[43]马维华，奚抗生，易仲芳，毛建国．从8086到PetiumⅢ微型机算机及接口技术．科学出版社，2000年2月：236～252，395～398，400～404
[44]付睿．MSCIS智能接口控制系统硬软件设计研制．武汉理工大学硕士学位论文，2002年3月：1～21，41～54
[45]Analog Device Corp, Data-Acquisition Databook, 1991
[46]陈粤初，吴悌远，刘伟民．单片机应用系统设计与实现．北京航空航天大学出版社，1993年8月：1～9，280～408
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[49]Linear Circuits Data Book. TEXAS INSTRUMENTS, 1986
[50]王尔乾，梁鹿亭，刘和益．TTL集成电路设计和应用手册．1984年5月：6-68～6-72
[51]PHILIPS Semiconductors. P8XC592 Single-chip 8-bit microcontrollers with onchip CAN, 1992.8
[52]Altera产品资料全集．骏龙科技有限公司，2001年
[53]'PHILIPS SJAIO00 Stand-alone CAN controller DATA SHEET', 2000
[54]孙德和，袁钺．常用电路芯片IC参考大全．海洋出版社，1992年2月
[55]MAXIM产品资料全集．美国美信集成产品公司，2001年
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