工控电子总结 分享经验

sick

工控电子总结与展望(软件篇)-一个电气工程师进入电子行业的心得
本人以前是个搞自动化维护的，前年误入电子行业，伤痕累累，也收获无数。现在做个总结，希望若干年后能看到自己的成长。用mcu系统去实现工控系统，我认为需要如下知识：
软件方向专业基础课：
1、高等数学，积分变换，复变函数，信号与系统。
论述：无
2、数字信号处理，自动控制原理。
论述：写pid程序，写软件滤波程序。要用matlab导出系数，至少要懂原理。
3、c语言，c++语言,python语言。
论述：大部分单片机都支持c语言，avr，stm32，支持c++，python语言软件库多，写个上位机界面也快。
有一定基础后，看
公开课程：
（1）计算机程序构造与解释（SICP），麻省理工。这个至少学前两章。
（2）编程范式。斯坦福。讲指针，学完，至少可用c写一些可跨平台移植的软件库。
这两个课程学完以后，在工控领域写程序无敌，并且可写软件库。软件代码可重复使用率越高。代码越写越轻松。看看开源代码，基本没问题。
不然工控系统，io点到达100个以上，代码越多，你的bug搞死你。也没法写很复杂的gui，本人曾写过一个按钮的可调节参数液晶gui（你自己试试）。没法体验编程的乐趣。
4、数据结构，编译原理，计算机图形学，操作系统，数据库原理。
论述：数据结构，必学，不然软件代码很垃圾不能看。也看不懂开源软件库，消化吸收为己使用。
编译原理，状态机部分，必学，对付工控顺控程序，游刃有余。如果能写个解释器，解释类plc堆栈指令更佳。
计算机图形学，了解下，对使用点阵液晶很有帮助。
操作系统，使用一些嵌入操作系统，需要了解一些概念。方便使用rtos或linux（树莓派等嵌入系统）。
数据库原理，如果要实现高级测试系统，进行质量跟踪。必须要学。
5、基于以太网TCPIP协议，基于CAN协议
tcpip：以stm32f407zet6为主的工控系统，推荐学习，实现modbus tcp。用光纤也可实现隔离。
can：可用于板级io扩充。高级协议，如uds通用诊断协议，canopen。通讯隔离使用光隔离或磁隔离。缺点，和pc接驳要用can卡。用于io扩充无此问题。
6、电机学，液压与气动传动。
电机学：了解各种电机，尤其步进电机，永磁三相同步电机,无刷电机。例如三相交流电机，星三角启动等。
液压与气动传动：必学，工控基础。能看懂图纸。
常用工具软件：
1、labview，组态王等。
论述：人机界面要精通一个，labview做测试设备神器。
2、matlab，octave。
论述：matlab，仿真功能强大。其中曲线拟合可用于模拟量校准，数字滤波求系数，电机控制仿真，pid仿真。必学。octave为开源系统弱于matlab。
3、modbus poll，modbus slave，虚拟串口，串口调试器，crc16计算器
论述：modbus调试必用。modbussim，开源工具。
4、arduino-avr，arduino-stm32
论述：mega32，mega2560，软件平台，软件库非常多，搭建小型人机界面神器。
5、mysql及其管理软件。
论述：耐久试验，质量追忆系统，必学。开源系统，学习曲线难，但是技术寿命长。
6、altium designer
论述：能看懂硬件io对应位置。
7、lt-spice，tina-tina
论述：电路仿真，要学。
工控系统：A类（100-1000）
定义：mcu承担控制任务，用按键，数码管，点阵液晶实现简单的人机界面。
论述：从电子层面实现工控系统主要矛盾：
缺点：
1、开发周期，电路板开发与调试，软件开发与调试。相比PLC明显劣势。
2、可调试性差，即使有mcu调试器，用于工艺调试，感觉不好用，尤其顺控系统。
3、除非有积累，电子系统稳定性稍弱。国际大厂plc，电磁兼容性绝无问题。
优点：
1、成本优势。相比国际大厂plc，成本非常低，相比国产plc，如某宝号称国产三菱plc，也有优势。对企业自研发，生产工装或测试工装，单片机预算可以用50元的。
2、可实现，实时性很高的系统。mcu专门优化，实时性比plc快，plc需用某特定中断功能，才能实现。
3、人机界面可以很好，简洁而实用，成本也低。但需精心开发，积累。plc对应此档次的为文本显示器。成本数百元。
基于上述采取如下策略：
1、在工控软件方面，要向软件库较丰富的平台靠拢。
（1）mcs51，各种液晶，led模块（tm1638），按键模块，某宝都共同支持51系统。
（2）stm32平台，号称32位51系统。
（3）arduino平台，这个平台开发工控真心快。但要自己加固外围电路。
2、在调试性方面：（这里说的调试是工艺调试，而非写单片机基础框架的调试）
（1）避免使用无串口，偏向量产的单片机。例如holtek和pic，引脚少的低成本单片机。其实正品pic也不便宜。holtek仿真须专用带v的芯片。
（2）变频器，伺服驱动器，开发难度还是难度很大，使用成品。至少第一版电路不考虑。
单片机平台：
1、MCS51,该内核已无知识产权保护，市场不垄断，多家供货商。
（1）低引脚，选择类2051，插件用dip-20。贴片soic-20，tssop-20。
（2）高引脚，选择8051，插件用dip-40，贴片使用qfp-44。
（3）51其他平台不推荐。兼容性就差，比如64脚，48脚。失去通用核的优势。
2、avr平台，因为为arduino，才学的。国外定期收割，国内定期用汇率炒作，最高可翻4倍价格。
（1)mega8a，mega32，32脚。
（2)mega128a，64-80脚。优点，双串口，8bit接口。差分adc。
（3）mega2560,100脚。同二，端口更多。
（4）缺点：涨价起来吓死人。
3、stm32平台。
1、一部到位，stm32f103z系列。无以太网时使用，开发板多，学习资料多。缺点：3.3V系统。工控5v传感器多。
2、一部到位，stm32f407z系列。需要以太网时使用。开发板多，学习资料多。缺点：3.3V系统。工控5v传感器多。
3、缺点：缺点较少，要说就是硬件相较于8位机复杂的多，手册更厚，但是适用性好。比如串口空闲中断+dma。modbus反应速度超快。可以自己试试。
4、pic平台（包括中国台湾克隆平台）
论述：risc平台，一个单片机一个手册，累。
此平台用的少，量产成品也用，但是逐渐用stm8af，和mc9s8汽车平台了，低引脚系列不推荐用于工控。如你对此平台熟悉，当我没说。
5、dsp平台：
论述：没用过，低端可用stm32f407z，加定点数，代替。高端，数字信号处理可用fpga+软核代替。如果你对dsp平台比较熟悉，推荐使用。
据我所知，ti的dsp软件很强大的。dsp的成本在企业自研发自用设备，不算什么。可实现非常强大的电机控制，数字信号处理。根据我的观察，arm平台很快追上。例如simd指令集（neo）
我没实践没有发言权。我还是老老实实学好数字信号处理，打好数学基础，优化算法，浮点变整数，整数变字节。
6、risc-v
论述：开源平台，软核应了解。
故此类系统推荐：
1、纯数字量，我一般都用光耦隔离。
都可，推荐stm32，stm32f030f4p6也可。推荐，低引脚的搞一套pcb，多引脚的搞一套板子。模块化的更好。
2、模拟量不隔离。
推荐，51，avr，毕竟5V传感器还是多。简化系统。8位系统还是很好用的。
3、模拟量隔离的
都可。根据系统大小决定。模拟量隔离，我一般采用磁隔离+adc（ad7606），磁隔离+tlv5616。高速光耦也行。
工控系统:B类（1000-10000）
定义：mcu承担控制任务，人机界面通常是触摸屏。io点稍多。
论述：此系统相较于A类，在人机界面方面较复杂。
（1）用点阵液晶实现汉字，图形，较折磨人。从零造车的感觉。如果你有积累，点阵液晶，可极大减低成本。触摸屏升级gui较为方便。
如果是点阵液晶，修改状态机，那就需要一定时间。工厂自研发设备不推荐。目前国产电阻屏触摸屏价格300多，开发速度很快。
（2）可用ps2数字键盘，实现较为友好输入系统。
（3）此系统要实现modbus-rtu或modbus-tcp。modbus-rtu实现很简单，arduino直接有库，不用arduino有freemodbus库。
（4）此类工控系统均不需要很强的存储功能，例如扫二维码，存储测试结果。
（5）属于较为中规中矩的工控系统。但是技术难度跟b类似，对于软件功底强的人来说，还没A类难度大。
（6）初次研发可采用，降低成本向a类靠拢。
学习方向:用嵌入式系统写gui。
工控系统:C类（10000-100000元）
定义：此类系统mcu不承担控制任务或少量实时性任务。io点较多。人机界面以计算机PC为基础。系统较为通用，通过简单更新软件可升级系统功能，而不需要烧写单片机。
论述：我在设计此类系统时，通常用于较为通用的测试设备，例如工厂的产品，有很多型号，分成几大类，做几套系统就搞定。一个新产品通常只是功能少许不一样，在硬件设计留下一定冗余度。仅更新软件。
（1）可以使用数据采集卡，完成高速采集，或用单片机采集暂时存储，然后发给上位机。
（2）硬件设计有冗余度，io模块多，通常有很多单片机，用can组网（io扩充）或以太网。
（3）可用交换机，光纤实现远程io。
（4）用labview数据库组件，实现实时曲线，历史数据。用扫码枪实现产品质量参数进入数据库。
（5）用工业摄像头，labview vison组件，实现视觉识别。
（6）使用串口实现g代码控制xy机器人。
（7）耐久试验数据采集系统。
学习方向：用嵌入式系统代替pc系统。
总结：经过这两年进入电子行业，感觉电子工程师和电气工程师的区别：
（1）电子工程师，一般都有一定的硬件基础，是电子行业的上游。电子工程师，编写过上万io点，（笔者曾参与200MW发电站机组的，软件编写，dcs厂家梯形图+顺控+功能图+指令）
大型软件能力的不多。看过很多电子工程师的代码，写大型工控程序，必死无疑。被很多if+if搞死。
推荐按plc的思维方式，写出没有if语句的工控程序。
调试各种新硬件，各种单片机，消耗了大量精力。例如写顺控程序，定时器复用，计数器复用，上升沿，下降沿。io点一多，中间变量一多，各种全局变量，软件代码没有模块化代码基本很难看懂。
干脆重写，代码直接精简。
所以电子行业做工控，在系统选择上要让自己舒服。写程序舒服，调试舒服。搭建工控基本要素，数字输入，数字输出，定时器和计数器软件框架。
（2）电气工程师做系统集成的，将各家的东西，集成起来。电气工程师需要开拓视野。电气工程师，面向的是集成。没有关注硬件。
基于逻辑的编程方式。用梯形图或指令，这种思维方式编写程序，软件代码质量可控，代码bug容易找到。对电子工程师来说，相对来说没有技术含量。但是电气工程的东西，通用性好，可维护性好。
电气工程师，梯形图顺控逻辑思维，可以带到单片机软件编写中，笔者第一次看到别人写的单片机控制程序，差点吓死，一堆if，一堆标志位。直到有一天我自己能写出，定时器，计数器框架，
数字输入滤波框架，顺控程序很好写，梯形图逻辑思维是一种良好的代码习惯，代码可控，bug好找。很多电子工程师的程序，不能写库，喜欢用全局变量，if套if这种风格不能学习。按钮滤波和工艺代码混在一起。
应该包装一下。