CN108628208A - 一种基于分布式io的嵌入式控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于分布式io的嵌入式控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于嵌入式系统控制方法领域，公开了一种基于分布式I/O的嵌入式控制系统及其控制方法，将分布式I/O的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示；利用控制规则单元一次导入所有规则，根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则；其中控制规则单元与分布式执行单元的输入、输出信号交互通过分布式I/O总线通讯完成，其它信号由控制规则单元内部变量记录；包括1个控制规则单元与N个分布式执行单元。本发明利用简单的文本表示控制流程，既简化了现场编程过程，又可实现控制流程的在线更新，为嵌入式系统使用分布式I/O模块构建通用控制系统提供了一种新的解决方案。

Description

一种基于分布式IO的嵌入式控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于嵌入式系统控制方法领域，尤其涉及一种基于分布式IO的嵌入式控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
分布式I/O模块提供标准Modbus协议的一系列的功能模块、系统接口模块。即可独立构成完整的工控系统，又可作为DCS、PLC系统的远程I/O模块使用，构成功能更强大的测控系统，产品广泛应用于物联网、智能家居、酒店智能、机房动力环境监控、电力监控等行业。
在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。作为通用型工具软件，组态软件在自动化系统中始终处于“承上启下”的地位。
组态系统中关于分布式I/O信号处理以及实现用户的各种控制功能时，目前采用梯形图或各厂家专用的步进指令进行编程，最后将编译的后程序下载至PLC中运行。因此还需要各个厂家专门的硬、软件支持。
由于绝大部分分布式I/O模块采用标准Modbus协议，在不使用组态软件或PLC控制器时，一般由开发人员使用高级编程语言(如C++)等直接通过计算机串口读取或更新分布式I/O模块数据，对开发人员要求较高。当控制要求发生改变时需要重新编写相应的控制代码，周期长，维护麻烦。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术中，使用组态技术采用PLC组成控制系统，技术成熟，应用范围广，但是成本较高，需要使用PLC梯形图或专门指令进行开发；
(2)使用工业计算机为核心的控制系统，对开发人员技术要求较高，系统的开放性差，很难由用户自行更新控制要求，维护成本高。
(3)现有技术中，都需要使用者具备一定的程序开发能力，没有使用文本描述性指令集或接近自然语言的工具，适用于经济型嵌入式系统的分布式I/O控制方法。
解决上述技术问题的难度和意义：
(1)在支持现有分布式I/O控制协议的基础上，不使用现有的组态软、硬件、PLC、或PC机，采用嵌入式系统直接驱动分布式I/O，大幅降低系统的控制硬件成本；
(2)使用文本规则/自然语言描述控制要求与过程，降低分布式I/O控制系统的开发难度；
(3)增加系统开放性，便于用户能简便、快捷地更新控制要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于分布式IO的嵌入式控制系统及其控制方法，将现有几种PLC厂家的步进指令与组态方法进行简化与抽象，结合分布式I/O的协议与控制特点，设计了一套基本自然语言的功能文本描述方法，制定了控制协议与相应信号处理规则。
本发明是这样实现的，一种基于分布式IO的嵌入式控制方法，包括：
将分布式IO的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示；
利用控制规则单元一次导入所有规则，根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则，一旦符合便执行相应操作。具体包括：将规则中数据按类型导入[规则数据结构]数组，数组长度由导入的规则数目决定；嵌入式系统采用定时扫描方式，固定扫描周期T(当前专利设计扫描周期为1ms)，将输入信号值、状态值以及内部变量(如定时器值、计数值等)与[规则数据结构]数据与系统内部变量(机器状态、IO、计数、计时等)逐一进行比较，符合条件则按当前规则数据结构更新输出内容(如分布式输出状态、内部状态值以及内部变量等)。如果没有信号变化或满足任何一条规则，则不行输出处理。
每个扫描周期结束后，根据内部定时器状态值修改其当前值，即所有工作的内部定时器定时值加1，表示经过1ms时间。
如果加入中断处理，则在接收输入信号变化时进入中断，对所有导入规则进行逐一比较处理。
进一步，控制规则单元导入由N条规则构成的控制文本文件；
执行相应操作中，包括更新输出信号、启动与停止定时器、机器工作状态控制、内部变量读写控制。
进一步，利用控制规则将分布式IO的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示，具体包括：
1)、输入信号：由N个输入信号构成，各信号必须同时满足要求；
1.1)Input模块信号由输入模块的地址，输入信号序号，以及信号值构成；
1.2)定时器模块信号由定时器序号与定时设定时间构成；
1.3)嵌入式系统变量信号(定时器/计数器/其它变量等)，由变量名称，序号，输入值构成；
2)、输入状态：表示处理本条规则时的系统状态S000-S999，1有效；根据嵌入式系统能力进行扩展；
3)、输出信号：由N个输出信号构成，系统对各信号分别进行输出；包括：
3.1)Output模块开关信号由输出模块的地址，输出端口序号，以及信号值构成；
3.2)Output模块PWM信号由输出模块的地址，输出端口序号，以及PWM占空比与周期值构成；
3.3)启动定时器信号由定时器序号与定时启动时间值构成；
4)、输出状态：表示要跳转的系统状态S000-S999，1有效；
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于分布式IO的嵌入式控制方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于分布式IO的嵌入式控制方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于分布式IO的嵌入式控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于分布式IO的嵌入式控制系统包括：
控制规则单元，可以是单片机、嵌入式系统，用于执行规则；控制规则单元循环检测输入信号、系统状态信号、内变变量，逐条进行规则检测；
分布式执行单元，为系统提共输入、输出；利用控制规则将分布式IO的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示；
其中，输入信号有变化时自动通过总线传送至控制规则单元；随时接收由控制规则单元发出的数据更新消息，如果是本单元的执行命命则立即列新输出信号。
控制规则单元一次导入所有规则，存入控制单元的指定路径或指定存储单元；根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则，一旦符合便执行相应操作
根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则，一旦符合便执行更新输出信号、启动与停止定时器、机器工作状态控制、内部变量读写控制等相应操作；
控制规则单元与分布式执行单元的输入、输出信号交互通过分布式I/O总线的标准通讯协议完成。
本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述基于分布式IO的嵌入式控制系统的信息数据处理终端。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明利用更接近自然语言的文本方式表述控制流程，可以使用任何文本编辑工作对控制要求进行修改，具体的规则解释式由相应的嵌入式系统程序处理，不需要用开发者与用户进行程序设计、编译与下载等操作，不需要操作系统、开发环境以及组态工具等支持。简化了现场编程过程，又可实现控制流程的在线更新，为嵌入式系统使用分布式IO模块构建普通控制系统提供了一种新的解决方案。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于分布式IO的嵌入式控制系统示意图。
图中：1、控制规则单元；2、分布式执行单元。
图2是本发明实施例提供的基于分布式IO的嵌入式控制方法流程图。
图3是本发明实施例提供的简单启动停止控制示意图。
图4是本发明实施例提供的简单顺序启动/停止控制示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，在成本敏感、计算能力有限的嵌入式系统中，很难达到既想使用分布式IO来实现快速、灵活构建控制系统，同时使用组态思想简化现场编程的过程；但考虑成本因素又无法使用现有PLC主机或组态模块。
如图1所示，本发明实施例提供的基于分布式IO的嵌入式控制系统，包括：
利用控制规则将分布式IO的地址、输入、输出信号以及系统状态，定时器/计数器/内部变量的序号与设定值等用一组文本形式表示；
控制规则单元1，一次导入所有规则，根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则，一旦符合便执行相应操作，如更分布式执行单元2状态等。
具体包括：将规则中数据按类型导入[规则数据结构]数组，数组长度由导入的规则数目决定；嵌入式系统采用定时扫描方式，固定扫描周期T(当前专利设计扫描周期为1ms)，将输入信号值、状态值以及内部变量(如定时器值、计数值等)与[规则数据结构]数据与系统内部变量(机器状态、IO、计数、计时等)逐一进行比较，符合条件则按当前规则数据结构更新输出内容(如分布式输出状态、内部状态值以及内部变量等)。如果没有信号变化或满足任何一条规则，则不行输出处理。
每个扫描周期结束后，根据内部定时器状态值修改其当前值，即所有工作的内部定时器定时值加1，表示经过1ms时间。
如果加入中断处理，则在接收输入信号变化时进入中断，对所有导入规则进行逐一比较处理。
如图2所示，本发明实施例提供的基于分布式IO的嵌入式控制方法，包括：
S101：将分布式IO的地址、输入、输出信号以及系统状态用规定的文本表示。
S102：依据S101建立制流程由N条规则构成，即一个控制文本文件。
S103：控制规则单元一次导入S102规则，根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则。
S104：一旦符合某条规则便执行相应操作(如更新分布式执行单元输出信号、启动与停止定时器、机器工作状态控制、内部变量读写控制等)。
每条规则包括四个部分：
1、输入信号：可由N个输入信号构成，各信号必须同时满足要求；
(1.1)Input模块信号由输入模块的地址，输入信号序号，以及信号值构成；
(1.2)定时器模块信号由定时器序号与定时设定时间构成；
(1.3)嵌入式系统变量信号(定时器/计数器/其它变量等)，由变量名称，序号，输入值构成；
2、输入状态：表示处理本条规则时的系统状态S000-S999，1有效。可根据嵌入式系统能力进行扩展。
3、输出信号：可由N个输出信号构成，系统对各信号分别进行输出；
(3.1)Output模块开关信号由输出模块的地址，输出端口序号，以及信号值构成；
(3.2)Output模块PWM信号由输出模块的地址，输出端口序号，以及PWM占空比与周期值构成；
(3.3)启动定时器信号由定时器序号与定时启动时间值构成
4、输出状态：表示要跳转的系统状态S000-S999，1有效。
单条规则定义如下：
[Rule_No]
Input＝AddX,InNo,Data；Timer,TimNo,DataT；…
InStatus＝SInNo；
Output＝AddX,OutNoX,DataX；AddY,PWMNoY,DataY；Timer,TimNo,DataT；…
OutStatus＝SOutNo。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
图3是本发明实施例提供的简单启动停止控制示意图。运行规则文本为：
[Rule_001]
Input＝0x28,1,0；
InStatus＝S000；
Output＝0x18,02,1；
OutStatus＝S001
[Rule_002]
Input＝0x28,3,0；
InStatus＝S001；
Output＝0x18,2,0；
OutStatus＝S000。
图4是本发明实施例提供的简单顺序启动/停止控制示意图。运行规则文本为：
[Rule_001]
Input＝0x28,1,0；
InStatus＝S000；
Output＝0x18,01,1；T,0,1
OutStatus＝S001
[Rule_002]
Input＝T,0,3000；
InStatus＝S001；
Output＝0x18,03,1；T,0,0
OutStatus＝S002
[Rule_003]
Input＝0x28,3,0；
InStatus＝S001；S002；
Output＝0x18,1,0；0x18,3,0；
OutStatus＝S000。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分布式I/O的嵌入式控制方法，其特征在于，所述基于分布式I/O的嵌入式控制方法包括：
将分布式I/O的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示；
利用控制规则单元一次导入控制文本，根据输入信号或系统状态变化，采用循环扫描的方式逐条比对控制规则。
2.如权利要求1所述的基于分布式I/O的嵌入式控制方法，其特征在于，将分布式I/O的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示,具体包括：
将规则中数据按类型导入数组；嵌入式系统采用定时扫描方式，固定扫描周期T，将输入信号值、状态值以及内部变量与数据和系统内部变量逐一进行比较；符合条件则按当前规则数据结构更新输出内容；没有信号变化或满足任何一条规则，则不行输出处理；
每个扫描周期结束后，根据内部定时器状态值修改当前值，所有工作的内部定时器定时值加1；
加入中断处理时，则在接收输入信号变化时进入中断，对所有导入规则进行逐一比较处理。
3.如权利要求1所述的基于分布式I/O的嵌入式控制方法，其特征在于，将分布式I/O的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示，具体包括：
1)、输入信号：由N个输入信号构成，各信号必须同时满足要求；
Input模块信号由输入模块的地址，输入信号序号，以及信号值构成；
定时器模块信号由定时器序号与定时设定时间构成；
嵌入式系统变量信号，由变量名称，序号，输入值构成；
2)、输入状态：表示处理本条规则时的系统状态S000-S999，1有效；根据嵌入式系统能力进行扩展；
3)、输出信号：由N个输出信号构成，系统对各信号分别进行输出；包括：
Output模块开关信号由输出模块的地址，输出端口序号，以及信号值构成；
Output模块PWM信号由输出模块的地址，输出端口序号，以及PWM占空比与周期值构成；
启动定时器信号由定时器序号与定时启动时间值构成；
4)、输出状态：表示要跳转的系统状态S000-S999，1有效。
4.一种实现权利要求1～3任意一项所述基于分布式IO的嵌入式控制方法的计算机程序。
5.一种实现权利要求1～3任意一项所述基于分布式IO的嵌入式控制方法的信息数据处理终端。
6.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述的基于分布式IO的嵌入式控制方法。
7.如权利要求1所述基于分布式IO的嵌入式控制方法的基于分布式IO的嵌入式控制系统，其特征在于，所述基于分布式IO的嵌入式控制系统包括：
控制规则单元，用于执行规则；控制规则单元循环检测输入信号、系统状态信号、内变变量，逐条进行规则检测；
分布式执行单元，利用控制规则将分布式IO的地址、输入、输出信号以及系统状态用一组文本规则表示。
8.一种搭载有权利要求7所述基于分布式IO的嵌入式控制系统的信息数据处理终端。
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