隨著信息技術的發展，智能化、信息化、網絡化成為現代工業控制的發展潮流。20世紀80年代以來，開放的工業控制總線迅速發展，徹底改變了世界的技術面貌，在此基礎上通過網絡連接到分散控制和嵌入式設備的控制技術逐步發展成熟，遠程I/O就是在這種條件下發展的一類產品，可以分散配置在現場，連接當地的輸入輸出信號，實現要求的配置。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/159345.htm在工業控制領域，現場總線技術將控制功能徹底下放到現場。MODBUS是現場總線的國際標準之一，符合IEC物理層標準，有冗餘的物理總線網絡和嚴格的控制信息傳輸機制。
實時工業現場開關量數據的採集給開發者提出了廣泛的要求，包括較高的處理性能，低功耗，高速數據I/O，較高的存儲能力，高可靠性等。而種類繁多的ARM處理器具有成本低、功耗低、易開發和性能好等特點，可開發出較佳性能的控制採集系統。S3C2440就是其中的一種工業級ARM微處理器，具有性價比高，可靠性高等特點，因此選用它做為系統開發的硬體平臺。
Linux作業系統由於其開源、精簡而高效的內核，豐富的網絡性能以及對多種處理器結構的支持，使其在嵌入式工業控制領域得到了廣泛的應用，而實時處理工業現場開關量數據是工業控制領域的主要應用之一。
本文「基於現場總線的開關量I/O模塊的設計」實現了一個完整的通用嵌入式系統開發平臺。介紹了基於MODBUS現場總線的開關量I/O模塊，此模塊連接了MODBUS現場總線和傳統的開關量控制設備。首先簡要介紹了系統總體方案設計，在此基礎上，把系統設計分為硬體設計和軟體設計兩大部分。
系統硬體首先對A RM處理器和S3C2440微處理器進行了簡單的介紹，重點論述了S3C2440處理器與存儲器(Nand和SDRAM)、RS485、GPIO等接口的設計，對開關量輸入輸出電路進行了深入分析，可同時進行16路開關量的輸出和採集，並對硬體做了相關的調試。
系統軟體分為上位機和下位機兩部分：上位機以Windows XP為開發平臺，採用VC++軟體設計界面，利用MSComm控制項進行MODBUS串口編程，具有操作簡單，配置靈活的特點;下位機以嵌入式Linux為核心平臺，首先構建嵌入式Linux，主要包括bootloader、內核的編譯與移植以及嵌入式Linux下文件系統的構建。接著對MODBUS協議的移植和字符設備驅動程序(串口、GPIO )做了深入分析，重點用C語言實現了基於RS485接口的MODBUS串口編程，給出了軟體流程圖及核心代碼，並對軟體進行了調試。
1.1引言
近幾十年來，工業控制系統從傳統的集中控制系統，過渡到分散控制(DCS)系統，但DCS仍是集中與分散相結合的控制體系。進入90年代，隨著計算機技術及計算機網絡技術的飛速發展，出現了現場總線，現場總線與傳統DCS相比具有更多優勢，並能帶來巨大的經濟效益。根據國際電工委員會IEC61158標準的定義：安裝在製造或生產過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線。由現場總線與現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System )。
衡量一個控制系統是否為真正的現場總線控制系統FCS有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。FCS的核心是總線協議，只有遵循現場總線協議的控制系統，才能稱為現場總線控制系統;FCS的基礎是數字智能現場儀表，是FCS的硬體支撐;FCS的本質是信息處理現場化，這是FCS的系統效能體現。
FCS與DCS的本質差異在於現場級設備的數位化、網絡化，實現了控制裝置與現場裝置的雙向通信，消除了生產過程監控的信息「盲點」。
與DCS相比FCS有如下顯著優點：
●DCS有I/O模件控制櫃，FCS很少。這樣就省去了中間環節，降低了系統成本，節省電纜及相關的材料和安裝費用。
●FCS使用數字通信，傳輸數據更準確，信息量更大。
●DCS就像PC機，設備越多，性能越差，FCS就像PC機構成的網絡，總線上的設備越多，在總線通信速率足夠快的情況下，FCS功能越強。
●具有可互操作性、可互換性，克服傳統DCS和PLC等含有專利性技術的控制系統所帶來的封閉性問題，降低工程項目的建造和運營成本。
但是在生產力發展到一定階段之前，並不是先進的技術就一定要完全取代落後的技術。不同層次的技術有它應用的領域，可以允許FCS ，DCS ，PLC等技術共同存在，一些場合併不一定非要先進的技術。只要其能在特定的地方發揮相應的功能就行。所以討論誰取代誰並沒有實際的意義。從這個角度講，本論文的基於現場總線的開關量I/O模塊並不是一個過渡產品，在現場總線技術深入到儀表之後，開關量I/0模塊還可在適當的地方使用。
1.2研究背景
技術的發展和更新換代是一個緩慢和逐步接受的過程，FCS不可能很快取代現有控制系統。在FCS逐步推廣的過程中，將所有設備全部採用FCS的可能性不大，這樣就不可避免地要與已有的設備進行連接。
唯有比較才可體現FCS的優越性，將傳統儀表集成到FCS系統也可以說是FCS發展中的一種策略。在比較中可以體現出FCS控制系統的優越性，這樣能夠促進用戶使用FCS的積極性。
從生產現場實際情況來講，生產現場有許多需要開關量控制和開關量顯示的設備。如電機啟動停止控制、電機行程反饋、變頻器控制和變頻器反饋、溫度開關、壓力開關、逆止門電磁鐵指令和電磁鐵狀態反饋等。而現場總線設備可能暫時還沒有相應產品，或者客戶有傳統設備的庫存，這就需要將己有的設備集成到FCS.
另外，從成本考慮，現有的FCS設備成本大大高於常規儀表。有些設備的控制並不一定需要FCS設備，這樣就要用常規設備實現控制功能。這就需要把常規設備集成到FCS中來。因此採用開關量I/O裝置就成為一個很好的選擇。
本文要設計的現場總線的開關量I/O模塊是完成MODBUS現場總線與傳統開關量設備互連的控制裝置。尤其適合將傳統工業的控制系統與FCS控制系統結合，在所有現場設備未全部與現場總線融合之前，對企業原有設備與現場總線連接方面有很大的現實意義。
因此，基於以上考慮，有了市場和技術的巨大需求開發基於MODBUS的開關量I/O模塊成為必然。
1.3研究路線及內容結構
現場總線技術的研究，是目前工業控制領域的重要前沿，是當前國內外都非常熱門的研究方向。針對這種情況，本論文從現場總線上一個開關量輸入輸出模塊的設計著手，對其進行設計與實踐，並對MODBUS現場總線技術做了初步的接觸。
MODBUS的開關量I/O模塊放在現場，實現傳統儀表、執行器與FCS的連接。本論文的目的是製作一個實現基於MODBUS的開關量輸入、開關量輸出的模塊。
1.3.1研究路線
本文主要是研究和實現一種基於現場總線的開關量I/O模塊。根據需求，本模塊採用基於ARM9的S3C2440微處理器作為硬體開發平臺，嵌入式Linux2.6作為系統軟體開發平臺，通過串口RS485，應用MODBUS現場總線協議，實現與上位機控制中心PC機與I/O模塊間的遠程通信，從而使控制中心能夠得到所需要的數據;通過可用的G PI O來控制傳統開關量的採集與控制，並通過控制中心來配置輸入輸出的個數，鍵盤用來做本地測試。
1.3.2內容結構
本文的章節安排如下：
第一章緒論：概述了課題研究的背景以及應用領域，闡述了本論文研究的目的和意義、研究路線以及論文的架構安排。
第二章MODBUS現場總線技術綜述：簡單介紹了MODBUS現場總線的特點，詳細闡述了MODBUS現場總線的通信原理。
第三章總體方案設計：重點闡述了系統硬體和軟體的設計方案。
第四章開關量I/O模塊硬體結構設計：採用ARM S3C2440作為系統微處理器，設計了存儲電路、電源電路、RJ45網口，JTAG接口、鍵盤模塊、輸入輸出模塊、RS485接口、復位電路、時鐘電路，完成系統硬體設計。
第五章作業系統移植與驅動開發：完成了嵌入式Linux作業系統的構建，移植了MODBUS總線協議，實現了字符設備驅動程序。
第六章開關量I/O模塊軟體結構設計：分上位機和下位機兩部分，介紹了基於MODBUS的串口編程，完成應用程式的開發。
第七章結論：總結了本文的工作，指出了進一步研究的重點。