【秀出我的Atmel设计方案】+ 基于ATMega128的可编程控制器及IO

-787 · 2014-12-5 15:43

本帖最后由 ddllxxrr 于 2014-12-6 14:18 编辑

移动车辆及工程装备的自动化水平在逐年提高
传统以继电器为主的电控系统无法满足使用者对于机械设备的要求
如果制作专用的控制器，无法满足各个工程机械、特种车辆厂家不同的要求
在此背景下，我设计了移动车辆用紧凑型低成本可编程控制器及 IO
本帖涉及两款控制器，一款IO，因为软硬件同平台，我将一起介绍。

选择MEGA128作为主控制器：理由
×外设丰富，在本设计中，两路串口，SPI, IIC， 8路AD, 均有使用
×具有外部总线，扩展了CAN总线及8K RAM
×高速，在2路串口高波特率通讯，CAN总线运行CANopen主站协议下，用户层运行时间占95%以上
×程序容量大，除去50K左右的RUNTIME，用户程序空间有60+K的空间
×内存大，8K片外RAM由RUNTIME管理，主要作为硬件变量对应与通讯有关的内存，用户可自由使用的内存高达4K
×片内有大容量EEP
×BOOTLOADER功能使用方便，可以检测应用程序的完整性，并在线修改程序
×ICC编程环境简易，在适当配置后，非常便于用户作为PLC的开发环境
×可靠性及一致性好，至今未出现过单片机方面的异常
×多年的软件积累（此条为本人的情况）

硬件照片：
64型控制器：正、背

32型控制器：正、背

40型IO：正、背

-787 · 2014-12-5 15:44

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-5 15:59 编辑

硬件功能：
特点: 数量很多的可配置输入
输出性能强大的输出
64型控制器：

32型控制器：

40型IO:

只看该作者 · 2014-12-5 15:59

很牛叉

-787 · 2014-12-5 16:00

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-5 16:54 编辑

编程环境：
×简易，没有任何多余的文件包含，RUNTIME对于用户来说等于透明
×功能配置简单，无需函数，直接改动配置文件选择不同的硬件功能
×无需初始化，用户层直接从PLC_PRG入口进入，同PLC类似
×绝大部分功能映射为变量：如CAN网络、HMI通讯全部映射为变量，用户直接访问
所有输入输出映射为变量：如输入ID1_1，IAV2_1，QD3_1，用户直接访问
×提供完备的信号量及定时器功能，可以实现操作系统的功能，方便用户编程

功能配置文件：

软件环境及通讯功能特点很多，图片无法表示完整
可以通过下面的编程文档详细了解：

TL_SIO_64设备描述.pdf (904.38 KB)

TL_SIO_64编程指南.pdf (962.79 KB)

TL_SIO_64CAN编程.pdf (1.36 MB)

TL_SIO_64HMI编程.pdf (581.64 KB)

-787 · 2014-12-5 16:01

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-5 21:10 编辑

烧录及调试工具:
得益于RUNTIME的设计，基于此RUNTIME设计的产品，均可以使用TL_STUDIO作为烧录及调试工具
特点：
×通用串口，支持最高230400的波特率，烧写速度快
×可以对用户程序进行暂定、运行、重启操作
×可以观测控制器、IO当前的输入输出状态，并强制改变状态
×可以在运行状态中观测CAN总线中所有PDO的值（报文检测）
×可以在运行状态中观测应用程序中的全局及静态变量
×可以在运行状态中观测和修改EEP数据

图片如下：

-787 · 2014-12-5 16:02

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-5 22:06 编辑

RUNTIME设计
为了给用户提供编程及调试的便利，
PLC中和运控中都有RUNTIME的设计（了解CODESYS类似编程环境的同学应该都熟悉）
RUNTIME可以运行于有操作系统的环境，也可以运行于无操作系统的环境，故名思议，就是当用户程序在运行时
它也在运行的一段程序，它的作用是对用户程序提供支持的。

在本设计中，没有使用现成的抢占式OS，非不行，而是不必，抢占式的OS在使用时对使用者提出更高要求，而通用PLC（非运控）
并不会用到抢占式OS的优点，（注意：此处抢占是指用户自己编写的应用层的多任务互相抢占），也就是说，用户编写的程序
都具有函数级别的原子性，这样有利于用户对于自己程序的理解，事实证明效果不错

所以，本设计中采用了系统和用户两层式框架，不敢用OS这个词语，因为远远没有达到OS这个程度。程序框架如下图所示：

并行的意思是指系统层可以抢占用户层，完成后返回用户层
也可以说系统层能做到硬实时，而用户层使用软实时
软实时不代表不实时，用户完全可以使用RUNTIME提供的32个软定时器设置回调函数
或者TIME_1ms定时器，进行定时作业。类似于win程序中的OnTimer
应用层还可以使用信号作为作业的依据，类似于win中的消息（lin中的信号概念）
系统会在某些事情发生时向用户层发送携带消息的信号，用户只需要编写信号的回调即可
用户也可以定义自己的信号，便于任务的划分或者多人协同编程

MEGA是枚速度非常快的芯片，可以这么说，我现在18.432M的8位机的运算速度，是要远高于德国
中档移动PLC中常用的40M 16位单片机的，这是优点
但是缺点也很明显，缺乏高级的特性，如：没有中断向量管理，没有异常中断，部分外设功能偏弱，如UART
所以该RUNTIME没有往高大上的方向做，而是往轻量化，高速度发展，类似于汽车的轻量化设计
这样做出来的RUNTIME有局限性（向更高端的芯片移植时显得功能不够，如无法提供高级OS所能提供的功能）
但是也有优点：轻量化，在瘦资源下能很好完成一些比较高级的特性
容易理解，便于小单位和开发能力不足的团队使用，并开发稳定的产品
硬件的低端便于生产，有利于在生产能力不高的情况下做出比较稳定的产品（有过BGA虚焊的朋友应该懂的：）

只看该作者 · 2014-12-5 16:17

牛人啊

-787 · 2014-12-5 21:17

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-5 23:27 编辑

推进及开源

其实，写到这里，有点心酸
此产品是我的心血，虽然比照大公司的产品，它就如同一个丑陋的小孩，衣衫褴褛（不是谦虚，而是真实感受）
但是我照顾此产品如同照顾自己的小孩，从PCB设计（64是自己画的，后续的32及40是同事画的）到RUNTIME编写
到调试软件的编写，到编写一系列的使用文档，到外形定型，安装附件。是本人一点一点完成，感触比较深

当好几个用户使用它独立编程，用于他们自己的产品并取得好的效果，我由衷的开心。
但是开心是短暂的，行业的不景气使得此产品如同卖火柴的小女孩手中的火柴。可以点燃，可以看见光明，可以感受点温暖
但是希望它能像冬日中的暖炉，如同痴人说梦。
以我现有的行业知识判断（本人身处工程机械行业多年），此产品就是**肋。食之无味，弃之可惜。
感谢我的公司，感谢我的老板，放任我在这么差的行情下，还如此任性，开发出这几个怪胎（民营小得很的单位，懂的人能
理解我说的，为什么要感谢他，我相信就算是更有钱的老板，大多都不会支持开发这样的产品的）。
也感谢我的家人，我的老婆，明知道我的极端主义和理想主义，仍然无条件相信我，支持我，从来没说过我。

就算环境再差，技术总要进行，自从QQ的个性签名改成：梦想 ** 成就，我就无时无刻不在思考这个产品的出路，考虑自己今后要如何发展
如果单纯把现有的源码往网上一放，就说是开源，这样的层次就太低了，放了等于没放，而我希望它能持续的进步。

分两点来说：
1、技术本身发展的方向，目前我希望它能有节奏的向前推进，比如：编译器的改进
现在是使用ICC，但是脱离不了“单片机”感觉的编程环境。我希望可以自己制作以POU为单位的编程环境，而不是以文件为单位，每个POU有自己专属的静态变量和局部变量。每个工程中有独立的结构定义区、全局变量定义区、PLC资源配置区。
调试环境集成于编程环境，可以在调试时自动观察页面的内容，并分屏显示当前变量的值。可以定义于硬件资源有关的关键字，如输入变量IDX_X,输出变量QDX_X。
编译环境实质使用GCC，从而使得这个环境成为免费软件。

想象一下，如果以后小公司在使用AVR做设计时，可以使用自己设计的工具链，使自己公司的产品有一个统一稳定的开发平台。
只要有一个人负责RUNTIME的移植和重新定义工具链（比如在编译器中设置自己公司的产品型号，而不是单片机的型号），另外
做应用的人简易的进行应用层的编程，并可以在运行时调试，观测变量，可以非常方便的做可视化设计（比如说做个温度控制器模块，
可以利用程序烧录和调试串口，制作PC端程序，以各种方式（指针、图表）显示程序中的任何变量，记录进文件或者数据库）这将是让人
多么兴奋的事情啊。

编译环境还可以后续增加对于IEC61131编程语言的支持，如ST语言，这样用户可以使用C或者ST语言进行编程，甚至可以使用梯形图。（使用BISON FLEX写词法和语法的分析）

2、管理，有志同道合的人，对其进行维护，如文档编写，稳定版本发布等（暂时没想好）。

希望这样的开源才能真正让更多人更好理解单片机、理解软件、理解工程、理解工控的一些基本的概念，从而朝着更高的地方发展。

题外：为什么我说这个东西是怪胎，因为它不是按照标准制作的产品，OPENPLC是一个很明晰的定义，已经有很多专业的公司在做
从软件看，德国就有3S, KW，infoteam，意大利和俄罗斯都有。从不OPEN的系统看，好多大公司都有这样一套自己的工具，如西门子，罗克韦尔，贝加莱，艾默生。

但是，可以看到，中国的没有，中国大公司要么在买进口的软件，要么就是小公司的可怜人在没有软件支持的情况下，孤独的使用着单片机
看着论坛中无数人在问着初级的问题，看到很多人在技术的路上停滞不前，看到我的同业者在感叹进口技术是如何做到如此牛X的地步，而自己的产品为什么总是这样“入门时”，看到国产的产品明明没有核心技术，还嘴硬“自主知识产权”时，我就不禁在想：问题在哪里

很可惜，我不是聪明人，我不知道，系统性的问题往往比一个技术难题更难。
虽然我用梦想 ** 成就这样的口号激励自己，但是谁知道呢，人总要生活，我不希望牺牲家人的生活来**，我不希望自己明知无力改变现状但只能自怨自艾。
可能我会离开这个行业，去往看似更好的行业，只怕又是个这山看着那山高的假象。
技术不难，技术人生很难。

-787 · 2014-12-5 22:08

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-6 00:53 编辑

写了这么多，最后来个产品外观吧
产品外观：64&32型控制器：

40模块：

显示下我的最爱：比起编程，我更喜欢做美工，HMI界面设计：

PS:我的文档写得也不错哦，就在应用层软件那里：）欢迎下载，提出宝贵意见

-787 · 2014-12-5 22:09

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-6 00:27 编辑

回答网友提问1：
ARM7及M3已经那么普遍，为什么还用8位机。
文中已经说了一些关于这方面的考虑，这里再补充说一下。

×编译器的复杂程度，我认为对于应用层来说，编译器越简单越好，对PLC层面的编程是为了解决工程问题，不是设置参数，配置命令行玩的
在这一点上，我暂时没见过比ICC更简单的编译器了，如果我是入门者，就会一点C语言，我直接就开始编程，多么畅快的事情。
如果能自己制作编程环境，那这个优势就无所谓了，但是现在的情况，我无法想到更好的办法。

×MEGA其实很奇葩，速度快在8位系统中甚至16位系统中非常突出，虽然不敌32位系统，但是就移动车辆上的闭环控制来说，运算能力实在绰绰有余，而且8位机带来好处是外围电路的简易，文中可以看出，我们的生产水平不高，在这样的条件下，我为了做到硬件的可靠和产品体积的小巧，使用MEGA也就是顺理成章的事情了

×多年软件的积累，这样一个RUNTIME不是说几个月或者半年就做出来的，特别像我这样的环境，没有多余的人可以支持，1个人要写这样的东西我必须把精力花在软件的结构上，如果我为了更高的目标，而上32位（比如支持串口下设置软件断点，现在MEGA只能实现串口随时暂停，而无法在指定位置暂停），那产品的推出更加遥遥无期了，我必须评估系统的风险和收益，选择我的开发平台。

说到底：个人能力有限，条件有限，资源有限，无法一步到位。我很早就接触ARM，接触M3也很早很早了，但是权衡利弊，没敢用。
如果我可以利用的资源能上一个量级，我就会用32位的，现实：人穷志短。。。

-787 · 2014-12-5 22:09

本帖最后由疯子8972 于 2014-12-6 10:19 编辑

在没有更多提问前，写点自己对于软件的态度，其实软件水平是有高下的，从最基本的编程小节处一直到整体结构上
这时，问题就来了

1，高手会鄙视低手，这个鄙视其实可以理解，因为高手大多是对自己要求严格的人甚至有完美主义倾向，对不美的东西有天生的排斥；
这种排斥是与生俱来的，无法缓解，于是出现了很多评论：“这就是狗屎”

2，成长中的低手，在捍卫自己进步的成果，因为低手在思考，在进步，于是出现了需要认可的需求，为什么那么多人喜欢写OS呢，因为他们在他们学习的过程中，有所思，有所感，希望自己的进步能被大家认可，于是很多人发布XX_OS（PS：我也有过冲动，但是我比较自卑，就算有想法，基本第二天就觉得那是“狗屎”，所以我很理解希望得到证明的心情）

3，真高手、假高手（光指技术），这是包装的时代，这是看重结果的时代，真假太难辨认，于是出现了乱斗，出现了气话，其实真高手也知道自己的水平，假高手也知道自己的水平，只是心态不同，斗斗有利于消遣，但是问题是，真正的初学者苦了，初练武功的人妄图从类似狗咬狗的撒欢中得到武学的奥妙？结果是大部分人忽左忽右，徘徊而不得

那么怎么办？
以玩笑的心态看斗嘴，用认真的心态分析问题，就算真心认为那是狗屎，请从狗屎中得到“启发”
非常赞同王垠同学对于“启发”这个词的解释，感兴趣的同学可以看看王垠的博文（根据我目前的认知，他应该算个真高手）呵呵

回答网友提问2（预留）