時間：2023-03-14 15:15:21
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1553B通信節(jié)點與各個傳感器采用主從式通信模式進行通信。通過將1553B通信節(jié)點配置為BC(總線控制器)，傳感器節(jié)點配置為RT(遠程終端)。所有傳感器節(jié)點需使用不同的1553B地址，并將其作為通信集群中節(jié)點的唯一ID。如表1所示為不同傳感器1553B地址分配。飛行控制計算機外部1553B傳感器由慣導(dǎo)傳感器、大氣數(shù)據(jù)機傳感器和無線電高度傳感器組成，樣例飛行控制計算機各傳感器數(shù)據(jù)流量如表2所示。BU-61580內(nèi)部具有4k字的共享靜態(tài)RAM，與主機交互具有很強的操作靈活性。BU-61580的存儲數(shù)據(jù)的基本單元為消息塊(MessageBlock)，每個消息塊大小為38字［6］。其中數(shù)據(jù)字包含的最大數(shù)據(jù)量為32字，故一次可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為32。本系統(tǒng)中，無線電高度傳感器與大氣數(shù)據(jù)機傳感器的數(shù)據(jù)幀長度均小于32字節(jié)，可通過一次數(shù)據(jù)傳輸完成數(shù)據(jù)通信。而慣導(dǎo)傳感器的數(shù)據(jù)幀長度為54個字節(jié)，超過了一次傳輸數(shù)據(jù)的最大字節(jié)數(shù)，為保證數(shù)據(jù)完整性，不破壞每個字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容，本設(shè)計采用數(shù)據(jù)幀拆分的方式。通過將數(shù)據(jù)幀拆分，使每個數(shù)據(jù)塊長度均小于32字節(jié)，然后通過BC與RT的兩次數(shù)據(jù)通信完成整個慣導(dǎo)傳感器數(shù)據(jù)幀的傳輸。慣導(dǎo)傳感器數(shù)據(jù)格式如表3所示。2.31553B通信時間調(diào)度設(shè)計由表1可知，飛行控制計算機各個傳感器的更新頻率并非完全一致，速率最高為100Hz，最低為50Hz。針對BC與多個RT進行數(shù)據(jù)通信，BU-61580采用大周期和小周期協(xié)同的方案來實現(xiàn)多個傳輸速率的通信。由于本系統(tǒng)頻率最高為100Hz，最低頻率為50Hz，故將通信大周期選擇為20ms，將小周期選擇為10ms。如圖3所示為BC與傳感器RT1～RT3的大周期通信順序圖，每個大周期內(nèi)，慣導(dǎo)傳感器和無線電高度傳感器與BC通信一次，而大氣數(shù)據(jù)機傳感器與BC通信兩次。圖3中，為平衡數(shù)據(jù)流量及小周期通信數(shù)量，本設(shè)計將慣導(dǎo)傳感器和無線電高度傳感器分別位于兩個小周期中，使兩個小周期的數(shù)據(jù)流量平衡，實現(xiàn)兩個小周期的通道資源充分利用。
2、FlexRay總線時間調(diào)度
根據(jù)樣例飛行控制計算機的內(nèi)部總線FlexRay通信協(xié)議可知，內(nèi)部總線通信時間為5ms，每個時隙為50μs，F(xiàn)lexRay總線最大幀長為127字［7］。本設(shè)計中1553B幀長度最大為54個字節(jié)，頻率最高為100Hz，故使用上述FlexRay總線通信協(xié)議能夠符合1553B總線通信要求。本設(shè)計中，1553B傳感器數(shù)據(jù)的頻率為50Hz和100Hz，而FlexRay總線通信頻率為200Hz，內(nèi)部總線通信速率高于外部傳感器速率。故1553B板卡在內(nèi)部總線通信過程中，當有傳感器數(shù)據(jù)更新時，F(xiàn)lexRay總線傳輸最新的數(shù)據(jù);而當沒有數(shù)據(jù)更新時，F(xiàn)lexRay總線傳輸當前的傳感器數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的完整性及減少占用總線時隙數(shù)量，本設(shè)計共使用總線三個時隙，每個時隙具體傳輸內(nèi)容如表4所示，時隙2、7、15傳輸內(nèi)容分別為慣導(dǎo)傳感器無線電高度傳感器和大氣數(shù)據(jù)機的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀大小分別為54字節(jié)、32字節(jié)、12字節(jié)。
3、1553B通信單元軟件設(shè)計
3.1驅(qū)動軟件的IP核封裝與實現(xiàn)
在嵌入式FPGAEDK設(shè)計中，為了簡化用戶開發(fā)難度，Xilinx公司提供了一個封裝了的接口，即IPIF(IPinterface，IP接口)作為介于PLB總線與用戶邏輯模塊之間的接口緩沖［8］。IPIF將PLB總線操作封裝起來，而留給用戶一個邏輯接口。本文軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想。其設(shè)計步驟如下:首先，將每個硬件模塊對應(yīng)編寫一個驅(qū)動軟件程序;其次，將相應(yīng)驅(qū)動軟件封裝成通用IP核;最后，將IP核掛載到PowerPC內(nèi)部總線PLB上。模塊之間的通信主要通過PLB總線和OPB總線實現(xiàn)，系統(tǒng)中各模塊通過這兩種總線連接至PowerPC內(nèi)核上，而PowerPC通過內(nèi)部總線讀寫機制實現(xiàn)對各個模塊的讀寫與控制。如圖4所示為1553B通信單元的硬件平臺總體架構(gòu)圖，主要由PowerPC內(nèi)核、1553BIP核、FlexRay總線對應(yīng)GPIOIP核集合、串口IP核、BRAM模塊IP核及相應(yīng)的中斷控制IP核組成。
3.21553B總線接口驅(qū)動軟件設(shè)計
如圖5所示為1553B總線接口IP核結(jié)構(gòu)圖，整個驅(qū)動分為三個模塊:總線讀寫模塊，初始化模塊和數(shù)據(jù)緩存模塊。系統(tǒng)上電，該IP核激活，進行總線初始化操作，發(fā)送初始化完成信號并查詢PLB讀寫信號，等待PowerPC405的讀寫操作。當讀控制信號使能時，PowerPC405讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù);當寫控制信號使能時，總線讀寫模塊將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送至總線上。
3.31553B通信算法設(shè)計
1553B通信單元的調(diào)度主要由外部1553B總線的數(shù)據(jù)接收，內(nèi)部FlexRay總線的數(shù)據(jù)通信組成。本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，將系統(tǒng)功能劃分為頂層應(yīng)用和底層數(shù)據(jù)通信。底層數(shù)據(jù)通信主要包括外部數(shù)據(jù)流通信及內(nèi)部數(shù)據(jù)流通信，外部數(shù)據(jù)流通信主要由1553BIP核實現(xiàn)，內(nèi)部總線也由FlexRay驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信;而內(nèi)核PowerPC主要實現(xiàn)頂層應(yīng)用，即數(shù)據(jù)調(diào)度及總線故障切換功能的實現(xiàn)。如圖6所示為節(jié)點通信程序流程圖，系統(tǒng)上電后，首先對FlexRay總線及1553B總線節(jié)點進行相應(yīng)的初始化，進而查詢1553B對應(yīng)FIFO滿輸出引腳，當接收到數(shù)據(jù)時，節(jié)點讀取FIFO內(nèi)容，并寫入相應(yīng)的總線發(fā)送緩沖區(qū)中。進而查詢MFR4310的中斷引腳信號，當發(fā)送中斷有效時，執(zhí)行發(fā)送中斷子程序，將接收到1553B總線數(shù)據(jù)通過1553B總線發(fā)送出去;當接收中斷有效時，執(zhí)行接收中斷子程序，通信節(jié)點接收CPU發(fā)送來的控制信號。系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)調(diào)度后，進而進行總線故障檢測。由于1553B總線的基本周期為10ms，故本設(shè)計中總線檢測周期為10ms。當定時器的10ms定時時間到，總線進行一次總線檢測。當接收到總線切換指令，通信單元進行總線切換，并更新總線狀態(tài);進而判斷是否接受到傳感器的1553B總線應(yīng)答信號，如果有，將總線故障計數(shù)清零，倘若沒有，將故障計數(shù)加1，當故障計數(shù)大于6，進行總線切換，并更新總線狀態(tài)。
4、總線網(wǎng)絡(luò)通信測試與結(jié)果分析
(1)FlexRay總線測試結(jié)果將FlexRay通信周期設(shè)置為5ms，靜態(tài)時隙長度為50μs，將CPU板卡與1553B板卡進行通信實驗，從總線上讀出輸出波形。FlexRay總線通信時，在總線上截取的波形如圖7所示，從圖中可以看出通信周期為5ms，與預(yù)設(shè)值一致。如圖8所示為一個周期時隙輸出波形，時隙2、7、15傳輸傳感器數(shù)據(jù)。由圖8可知，時隙2與時隙7相差250μs，時隙7與時隙15相差350μs，與預(yù)設(shè)值一致。FlexRay總線通信6小時，進而進行連續(xù)總線數(shù)據(jù)傳輸測試，經(jīng)過6個小時的總線測試結(jié)果如表5所示，通信過程中，丟幀、錯幀計數(shù)均為0，表明1553B通信單元FlexRay總線設(shè)計正確，可以滿足飛行控制計算機通信的基本要求。(2)1553B總線測試結(jié)果由前面可知，1553B數(shù)據(jù)通信周期為10ms，即100Hz。如圖9～12分別為1553B通信單元與CPU單元模擬大氣數(shù)據(jù)機傳感器數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)8字節(jié)，進行通信2小時、4小時、6小時、10小時的通信仿真圖。其通信幀數(shù)分別為719999，1439998，2160023，3599991。期間在2小時～4小時，4小時～6小時，6小時～10小時通信期間，丟幀數(shù)分別為1，1，0，合計丟幀率約為5.56×10－7，符合飛行控制計算機通信要求。(3)測試結(jié)論以上實驗結(jié)果表明，1553B通信單元的各個模塊通信正常，與飛行控制計算機CPU板卡通信正常，能夠符合飛行控制計算機的通信要求。
5、結(jié)束語
本文設(shè)計的基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)是在復(fù)雜的多軸運動控制技術(shù)之上結(jié)合了遠程通信技術(shù)，以此來實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。此系統(tǒng)主要由上位機、多軸運動控制器、步進電機驅(qū)動器、步進電機、機械執(zhí)行裝置、限位開關(guān)和超聲探頭等組成，其組成框圖如圖1所示。由上位機LabVIEW控制系統(tǒng)為多軸運動控制器發(fā)送運動指令，并由多軸運動控制器將運動信號拆分為步進信號和方向信號，再將這兩種電機控制信號發(fā)送給步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)化為角位移發(fā)送給步進電機，使步進電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)個步距角，以達到使步進電機按指令運動的目的。步進電機上安裝有機械執(zhí)行裝置，用以固定超聲探頭，機械執(zhí)行裝置上安有限位開關(guān)，以此控制電機的運動范圍，當電機運動到限位開關(guān)的位置時，限位開關(guān)發(fā)出限位信號到多軸運動控制器，運動控制器便停止發(fā)出使電機運動的脈沖信號。在進行自動超聲檢測時，Z軸方向機械執(zhí)行機構(gòu)上固定的超聲檢測探頭能夠在被檢測物體的表面按照上位機運動控制算法設(shè)計的運動軌跡進行連續(xù)檢測，并實時向PC機返回探頭的位置信息，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的超聲信號與探頭返回的位置信息建立起對應(yīng)關(guān)系，最終通過上位機的圖像處理系統(tǒng)形成超聲檢測圖像，以此來實現(xiàn)物體的超聲檢測。
2多軸運動控制器的方案設(shè)計
多軸運動控制器可以通過遠程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機的控制信號，向步進電機驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號和方向信號以完成對電機的運動控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺，配有DM9000A以太網(wǎng)通信芯片使硬件平臺具備遠程通信的功能。在Linux操作平臺上進行控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計，并采用UDP通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與運動控制器之間的遠程通信［3］。
2．1多軸運動控制器硬件電路設(shè)計
本文采用ARM9處理器S3C2440設(shè)計了系統(tǒng)中運動控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網(wǎng)絡(luò)接口控制器設(shè)計了運動控制器的以太網(wǎng)接口。運動控制器硬件整體框圖如圖2所示。運動控制器選用ARM9處理器作為運動控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)運動控制器的插補等多軸運動控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)上位機LabVIEW與運動控制器之間的遠程通信，進而實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。為了解決步進電機驅(qū)動器與主控芯片信號匹配的問題，本文采用光耦器件設(shè)計了電壓轉(zhuǎn)換模塊，負責(zé)把主控芯片輸出的3．3V電壓信號轉(zhuǎn)換至5V電壓信號后輸入到步進電機驅(qū)動器中，同時負責(zé)把限位開關(guān)發(fā)出的24V限位信號轉(zhuǎn)換至3．3V輸入到主控芯片中。此外，電路中還搭載了用于存儲數(shù)據(jù)的擴展存儲器、以及用于調(diào)試的JTAG接口電路和RS232串口電路。
2．2多軸運動控制器軟件設(shè)計
本課題所用的限位開關(guān)為位置可調(diào)的限位開關(guān)，每個軸有2個限位開關(guān)，在每次超聲檢測前，把每個限位開關(guān)調(diào)節(jié)到被測工件的邊緣處，從而使探頭移動的范圍即為工件所在范圍。故此設(shè)計運動控制器的軟件時便可將限位開關(guān)做為邊界條件，以此來設(shè)計探頭的運動范圍。其運動控制流程:首先系統(tǒng)初始化，通過上微機控制界面人工控制探頭到被測工件的起點，然后X軸正向運動到X軸限位開關(guān)處，Y軸正向運動一個探頭直徑的長度，X軸再反向運動到X軸另一側(cè)的限位開關(guān)處，之后Y軸繼續(xù)正向運動一個探頭直徑的長度，如此往復(fù)運動直至探頭到達Y軸的限位開關(guān)處，檢測結(jié)束，探頭復(fù)位。運動控制軟件流程圖如圖3所示。
3多軸運動控制系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計
基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件是以LabVIEW開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，使用圖形G語言進行編寫的，主要包括多軸運動控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機軟件，其主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，具有良好的人機交互界面［4］。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數(shù)提供給用戶使用，用戶無需過多考慮網(wǎng)絡(luò)的底層實現(xiàn)，就可以直接調(diào)用UDP模塊中已經(jīng)的VI來完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細節(jié)，而采用較少的代碼就可以完成通信任務(wù)，以便快速的編寫出具有遠程通信功能的上位機控制軟件［5］。上位機LabVIEW軟件的遠程通信模塊、運動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)調(diào)配合，共同構(gòu)成了超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件。
3．1運動控制軟件設(shè)計
運動控制系統(tǒng)軟件部分主要由運動方式選擇、探頭位置坐標、運動控制等模塊組成，可完成對系統(tǒng)運動方式的選擇，運動參數(shù)、控制指令的設(shè)定以及探頭位置信息讀取等工作。運動方式選擇模塊可根據(jù)實際需要完成相對運動或是絕對運動兩種運動方式的選擇，并會依照選擇的既定運動模式將X、Y、Z三軸的相應(yīng)運動位置坐標輸出在相應(yīng)顯示欄中，以便進行進一步的參數(shù)核對以及設(shè)定;運動控制模塊可依照檢測規(guī)則實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運動過程的控制，包括:設(shè)定相對原點、運行、復(fù)位、以及退出等相關(guān)操作。相對原點設(shè)定可以將探頭任意當前位置設(shè)為新的原點，并以原點作為下一個運動的起始點，即為探頭位置坐標的相對零點，并將此刻相對原點的絕對位置坐標值在文本框中顯示出來。運動控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
3．2以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計
以太網(wǎng)通信模塊采用無連接的UDP通信協(xié)議，通過定義多軸運動控制器與上位機LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)下位機與上位機之間的遠程通信。具體設(shè)計如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開UDP鏈接，使用“UDPWrite”節(jié)點向服務(wù)器端相應(yīng)的端口發(fā)送命令信息，然后使用“UDPRead”節(jié)點讀取服務(wù)器端發(fā)送來的有效回波數(shù)據(jù)，用于后期處理，最后應(yīng)用“UDPCloseConnection”節(jié)點關(guān)閉連接［6］。以太網(wǎng)通信模塊的程序框圖如圖5所示。
4實驗及結(jié)果
實驗平臺由步進電機及其驅(qū)動器、上位機控制軟件和自主研發(fā)的多軸運動控制器構(gòu)成。在上位機的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運動方式，然后根據(jù)用戶的檢測需求設(shè)定運動速度和運動距離，點擊運行后探頭即按所設(shè)定運行。探頭運動過程中還可以選擇設(shè)定當前位置為原點，探頭即按照新的原點重新開始運動。同時，在探頭運動時會實時顯示探頭當前所在位置坐標。模擬開關(guān)發(fā)送選通超聲探頭信號并發(fā)送脈沖信號激勵超聲探頭發(fā)射超聲波，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換電路對超聲回波信號進行轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，存儲完成后向ARM發(fā)送信號，ARM接收到采集完成信號將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)向上位機發(fā)送。上位機的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。
5結(jié)束語
系統(tǒng)上電后，風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)周期檢測傳感器信號，人車運動過程中會觸發(fā)微波傳感器輸出信號，系統(tǒng)則根據(jù)傳感器信號執(zhí)行開關(guān)風(fēng)門和風(fēng)門互鎖。人車接近風(fēng)門時，兩側(cè)風(fēng)門的微波傳感器檢測到有效運動速度信號，首先進行信號競爭，根據(jù)競爭結(jié)果開啟某一風(fēng)門。2個風(fēng)門入口信號4選1采取競爭方法進行選擇，即微波移動傳感器輸出信號A1、A4、B1、B4處于競爭狀態(tài)，一個檢測周期內(nèi)，只有一個信號有效。2個風(fēng)門各2個方向。
（2）控制策略
控制系統(tǒng)風(fēng)門互鎖的控制要求并不復(fù)雜，關(guān)鍵是有效判斷風(fēng)門區(qū)域人員車輛的狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)進行開閉風(fēng)門。人員在巷道內(nèi)行進過程是隨意的，系統(tǒng)需要根據(jù)人員在微波傳感器檢測區(qū)域內(nèi)的最終狀態(tài)，對人員行進完成狀態(tài)估計。如圖3所示，根據(jù)人員的位置和傳感器有效信號可以把人員行進的狀態(tài)和風(fēng)門控制策略分成9種，如表1所示。風(fēng)門控制策略是控制系統(tǒng)的核心，策略制定的優(yōu)劣直接影響著風(fēng)門控制的可靠性。表1中根據(jù)人員行進的最終位置分為不同的狀態(tài)估計，結(jié)合定時器對人員狀態(tài)進行狀態(tài)估計和制定控制策略。
（3）實現(xiàn)方法
有限狀態(tài)機（FSM）理論是本風(fēng)門自動控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和控制策略的理論基礎(chǔ)。FSM包含有限的狀態(tài)，但在任一給定時刻必須而且只能處于其中的一個狀態(tài)，系統(tǒng)的狀態(tài)變化受事件的驅(qū)動，事件是系統(tǒng)的活動或外部輸入信號，它受當前狀態(tài)約束。因此，研究有限狀態(tài)機的關(guān)鍵就是在其狀態(tài)空間中找到狀態(tài)轉(zhuǎn)換的軌跡，這要求在每個狀態(tài)下全面分析驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件（包括系統(tǒng)的活動和輸入信號）和轉(zhuǎn)換的目的地（即轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)）。每個狀態(tài)都有其特定的輸出（系統(tǒng)的各項功能和性能指標），即系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換伴隨著系統(tǒng)的性能指標隨時間的變化。風(fēng)門自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性就是通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出來，巷道風(fēng)門檢測區(qū)域內(nèi)人員行進過程中的每個有效位置都相當于一個狀態(tài)，在任何時刻風(fēng)門只能處于一個工況狀態(tài)，工況間的轉(zhuǎn)換受傳感器信號即事件的驅(qū)動。當傳感器信號滿足進入某一工況的條件時，風(fēng)門立即進入該工況下運行，一旦外部事件不受該工況下條件的約束時，風(fēng)門立即離開該工況尋找另一個工況。每個風(fēng)門區(qū)域可以作為一個對象，該對象有微波傳感器和定時器屬性，屬性取值為開或關(guān)。2個操作開門和關(guān)門。根據(jù)人車通行過程和風(fēng)門對象屬性值的不同組合，可以把工作流程劃分為5個狀態(tài):初始態(tài)，狀態(tài)1，狀態(tài)2，狀態(tài)3，狀態(tài)4。用統(tǒng)一建模語言中的狀態(tài)機視圖表達，如圖4所示。圖門狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖該視圖中對不同區(qū)域設(shè)置不同傳感器配合定時器對人車運動狀態(tài)進行分類。從初始狀態(tài)開始，當人車運動速度滿足最低傳感器1閾值接近區(qū)域入口時，風(fēng)門開啟，進入狀態(tài)1，此時開啟定時器1；若在定時時間到后區(qū)域檢測不到信號則判斷為人車退出風(fēng)門區(qū)域，返回初始狀態(tài)；若傳感器2信號有效則進入狀態(tài)2，同時開啟定時器2，此時判斷人車進入風(fēng)門，人車的行走不會影響狀態(tài)的改變，直到傳感器3信號有效。狀態(tài)2和狀態(tài)3的人員已經(jīng)進入風(fēng)門，系統(tǒng)處于等待人車通過風(fēng)門區(qū)域。傳感器4有效時進入狀態(tài)4，此時人車前端已經(jīng)通過風(fēng)門，系統(tǒng)等待其他部分通過風(fēng)門區(qū)域。此時如果傳感器沒有信號則進行短暫延時后關(guān)閉風(fēng)門。下一步就是根據(jù)狀態(tài)機視圖為PLC編寫梯形圖程序了。程序中使用了置位指令SET和復(fù)位指令RSET進行狀態(tài)的切換，有些型號的PLC沒有提供置位和復(fù)位指令，但都有實現(xiàn)置位和復(fù)位指令功能的變通方法，可以根據(jù)常開常閉寄存器切換，因此利用該狀態(tài)機視圖編程序具有很好的通用性。
（4）結(jié)語
車速傳感器可以發(fā)出一定占空比的方波信號，設(shè)計采用單片機的脈沖模塊來捕捉可以用來測量信號的周期。車速采集的程序流程如圖2所示。步進電機的轉(zhuǎn)動不但代表汽車的行駛速度，還代表節(jié)氣門的開度，每轉(zhuǎn)動一定角度就相當于節(jié)氣門的開度。因此，當輸入的實際車速A等于目標車速B時，步進電機將不轉(zhuǎn)動；當輸入的實際車速A大于目標車速B時，步進電機會反轉(zhuǎn)，減小節(jié)氣門開度，從而使實際車速降低至目標車速；當輸入的實際車速A小于目標車速B時，步進電機會正轉(zhuǎn)，加大節(jié)氣門開度，使實際車速升高至目標車速，汽車進入定速巡航控制。
2軟件可靠性措施
為了提高軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采取以下措施：（1）封鎖。實際系統(tǒng)中最強的干擾來自自身，如被控的負載電機的通斷、狀態(tài)的變化等，在設(shè)計軟件時應(yīng)適當采取措施避開這些干擾。如：當系統(tǒng)要斷開或接通大功率負載時應(yīng)暫停數(shù)據(jù)采集，等到干擾過去后再繼續(xù)進行；在適當?shù)牡胤椒怄i一些中斷源；幾個通道互相封鎖。這些都是避免或減少干擾的有效方法。（2）程序的失控保護措施。在控制系統(tǒng)中，一般情況下干擾都不會造成計算機系統(tǒng)硬件損壞，但會對軟件的運行環(huán)境造成不良影響。表現(xiàn)在：數(shù)據(jù)碼和指令碼的一些位受到干擾而出現(xiàn)跳變，使程序出現(xiàn)錯誤，最典型的是程序計數(shù)器發(fā)生跳變，可能把數(shù)據(jù)當作指令碼。這種程序盲目執(zhí)行的結(jié)果，一方面造成RAM存儲器的數(shù)據(jù)破壞，另一方面可能會進入死循環(huán)，使整個系統(tǒng)失效。因此，應(yīng)采取有效措施避免程序失控。
3Proteus仿真驗證
3．1定速巡航控制系統(tǒng)總體仿真電路設(shè)計
設(shè)計中定速巡航控制系統(tǒng)的主要參數(shù)是車速值及節(jié)氣門開度，因為進行實物測試有設(shè)備要求，設(shè)備比較復(fù)雜，而且測試結(jié)果不夠直觀，所以設(shè)計最終結(jié)果通過Proteus仿真來實現(xiàn)。仿真電路如圖3所示。Proteus軟件的元件庫中擁有AT89C52單片機、ULN2003驅(qū)動芯片、步進電機等元件，可滿足設(shè)計研究仿真需要。Proteus軟件中的車速采集信號可通過改變脈沖而改變車速，電動機的轉(zhuǎn)速可直觀地顯示出來，還可體現(xiàn)節(jié)氣門開度的大小。
3．2試驗結(jié)果與分析
在Proteus仿真平臺上分別對4種情況進行仿真，即實際車速A等于目標車速B、實際車速A大于目標車速B、實際車速A小于目標車速B及實際車速大于120km／h、小于40km／h，仿真結(jié)果分別如圖4～7所示。從圖4～7可看出：當輸入的實際車速A等于目標車速B時，步進電機不轉(zhuǎn)動；當實際車速A大于目標車速B時，步進電動機反轉(zhuǎn)，節(jié)氣門開度減??；當實際車速A小于目標車速B時，步進電動機正轉(zhuǎn)，節(jié)氣門開度加大；當實際車速A超過120km／h、低于40km／h（即脈沖頻率低于100Hz、高于999Hz）時，巡航控制系統(tǒng)會自動退出，步進電機不轉(zhuǎn)動。表明所設(shè)計的軟件能實現(xiàn)簡單的巡航控制系統(tǒng)指令，滿足預(yù)定要求。
4結(jié)語
軟件的功能劃分為4類：變電站管理、裝置程序維護、在線瀏覽操作、一鍵歸檔分析功能。定義上位機調(diào)試軟件為控制方向，裝置側(cè)服務(wù)器程序為監(jiān)視方向。
1、1變電站管理
變電站管理功能按照不同電壓等級、間隔名稱，分層次多級目錄管理若干裝置?？尚陆?、打開和關(guān)閉變電站工程；支持在人機界面中輸入裝置地址發(fā)起連接請求創(chuàng)建裝置；支持裝置重命名、排序、復(fù)制、粘帖和導(dǎo)入導(dǎo)出等操作。以層次樹的資源管理器方式展示變電站結(jié)構(gòu)。裝置分離線和在線兩種狀態(tài)，離線模式下可進行數(shù)據(jù)分析、離線定值設(shè)置、主畫面編輯等操作，在線模式下可進行程序維護、狀態(tài)瀏覽、數(shù)據(jù)歸檔收集等操作。
1、2裝置程序維護保護測控裝置調(diào)試軟件設(shè)計與實現(xiàn)上傳配置文件、日志文件等文本。控制方下發(fā)需要上裝的文件名，監(jiān)視方打開文件，并分段上傳數(shù)據(jù)，到達文件尾部后給出結(jié)束幀標記，控制方將數(shù)據(jù)存儲到文件。上裝是下載的反向過程。在程序運行調(diào)試過程中，往往需要通過調(diào)試相關(guān)變量進行狀態(tài)診斷。在調(diào)試上位機程序時，可以使用IDE或gdb等進入調(diào)試狀態(tài)，設(shè)置斷點并查看變量值。嵌入式裝置在運行狀態(tài)下，監(jiān)視相關(guān)變量時不能隨意切換到調(diào)試狀態(tài)，而是將調(diào)試變量作為一個實時響應(yīng)的處理線程。通過調(diào)試變量協(xié)議，控制方下發(fā)需要調(diào)試的變量名，裝置側(cè)獲取相關(guān)變量的地址信息和類型后，訪問變量地址，讀取數(shù)據(jù)，周期上送變量值，控制方顯示實際值。調(diào)試變量的關(guān)鍵步驟是獲取變量的地址，全局變量可以通過分析編譯器形成的map文件獲取，對于動態(tài)分配的內(nèi)存，則需通過輔助手段實現(xiàn)。為此制定相關(guān)嵌入式程序編程規(guī)范，用結(jié)構(gòu)體元件來封裝各功能模塊數(shù)據(jù)。元件結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存是動態(tài)分配的，編譯器在編譯時沒有為其分配靜態(tài)地址，map文件里沒有這些變量的地址信息。需要在裝置啟動階段才能得到變量地址。對于動態(tài)分配內(nèi)存的結(jié)構(gòu)體變量，裝置側(cè)提供注冊接口，可記錄首地址。調(diào)試軟件根據(jù)輸入的元件結(jié)構(gòu)體類型名、成員變量名、文件存放路徑和CPU字節(jié)對齊等信息，對相關(guān)的文件進行詞法分析和語法分析，進行宏表達式求值，計算出變量在結(jié)構(gòu)體中的偏移量，并下發(fā)相對偏移信息。裝置側(cè)程序由結(jié)構(gòu)體首地址＋變量的相對偏移地址得到變量的真正地址。調(diào)試人員只需輸入層次實例名，不需手工計算變量地址，調(diào)試軟件在計算相對地址時已考慮了各種CPU的字長對齊設(shè)置。調(diào)試變量的流程如圖3所示?？赏ㄟ^查詢內(nèi)存的功能實現(xiàn)一次查看連續(xù)區(qū)域內(nèi)存數(shù)據(jù)?？刂品娇上掳l(fā)查詢起始絕對地址，監(jiān)視方一次回復(fù)若干個字節(jié)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。也支持通過下發(fā)變量名的方式查詢內(nèi)存。
1、3在線瀏覽操作在線瀏覽的通信協(xié)議基于繼電保護國際標準規(guī)約IEC60870－5－103協(xié)議［6］，可以實現(xiàn)不同廠家的設(shè)備、后臺的交互通信，減少了私有協(xié)議轉(zhuǎn)換過程，方便運行管理和維護。其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4所示。類結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。在線瀏覽操作功能包括：裝置模擬量開關(guān)量實時顯示、裝置定值整定和比較、可編程邏輯編輯和狀態(tài)顯示、事件查看、動作報告顯示、波形文件上傳和分析、HMI遙控模擬、信號復(fù)歸等。通過在線瀏覽模塊，可實時顯示裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)、參看監(jiān)視報文、分析跳閘邏輯、查看并設(shè)置定值、開關(guān)分合遙控等操作。其中涉及到遙控、定值整定、報告清除等關(guān)鍵操作，需要輸入用戶名和密碼，進行權(quán)限校驗。以定值設(shè)置整定為例，其報文交互流程如圖6所示。
1、4一鍵歸檔分析通過一鍵歸檔操作，批量上裝日志文件、配置文件等文件，自動截取裝置當前的斷面數(shù)據(jù)（包括裝置模擬量、狀態(tài)量、定值、報告、用于問題診斷的特定變量等內(nèi)容），將各分立文件壓縮存儲為一個數(shù)據(jù)包。當現(xiàn)場運行的裝置出現(xiàn)異?；蛱l動作時，通過一鍵歸檔，可自動打包相關(guān)數(shù)據(jù)，并以郵件方式發(fā)送到指定郵箱，裝置研發(fā)人員可離線打開查看分析。
2軟件風(fēng)格設(shè)計
2、1基于軟件管家模式由于軟件功能復(fù)雜，采用了模塊化設(shè)計思想，進行分層、分模塊設(shè)計，以去除界面、數(shù)據(jù)、接口之間具體耦合，方便擴充。調(diào)試軟件由引導(dǎo)主進程和按照功能劃分的子進程組成。如圖7所示，引導(dǎo)主進程是安裝軟件的啟動程序，提供變電站資源管理器功能，在左側(cè)樹形區(qū)域點擊裝置節(jié)點時，會在右側(cè)按照模塊劃分，分類顯示相關(guān)功能。點擊功能圖標，傳入形參，啟動獨立的子進程。通過組件化的設(shè)計思路，可確保增加一個新的模塊時，不會影響已經(jīng)穩(wěn)定的模塊?；谧舆M程的軟件管家模式，也減少了人機界面的操作復(fù)雜度，用戶在一個時間段內(nèi)只需專注于單一圖4在線瀏覽報文協(xié)議結(jié)構(gòu)圖5在線狀態(tài)瀏覽類結(jié)構(gòu)圖圖3調(diào)試變量流程圖2《工業(yè)控制計算機》2014年第27卷第11期的功能，并可快捷地切換到另一個功能的操作界面。
2、2類瀏覽器界面風(fēng)格當各個子進程啟動后，為避免頂層窗體過多，采用類似Chrome的界面風(fēng)格，用標簽頁管理子進程的界面。對各子進程的界面、顏色進行了統(tǒng)一設(shè)計，基于QT－CSS技術(shù)，設(shè)計了統(tǒng)一的界面風(fēng)格庫，并提供風(fēng)格設(shè)置接口，可設(shè)置標簽頁QTabWid-get、層次樹QListTreeWidget、停靠欄QDockWidget等控件的邊框、縮進、標題、字體、顏色等內(nèi)容。類瀏覽器的界面規(guī)范使不同人員開發(fā)的子進程在風(fēng)格上高度統(tǒng)一。
3軟件分層設(shè)計
除按照主進程－子進程的模塊化設(shè)計外，單個通信子進程按照分層原則設(shè)計，共分為三層，最底層為數(shù)據(jù)收發(fā)層，中間層為數(shù)據(jù)處理層，最上層為展示層。如圖8所示：圖8軟件分層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收發(fā)層的功能是負責(zé)從裝置接收報文并將數(shù)據(jù)處理層的報文發(fā)送到裝置。針對不同類型的裝置，該層需要支持串口通信、以太網(wǎng)鏈路層通信與以太網(wǎng)傳輸層通信三種通信方式。同時為了保證通信狀態(tài)的可靠性，數(shù)據(jù)收發(fā)層還支持出錯重傳及超時重傳機制。其中網(wǎng)絡(luò)通信采用ACE中間件實現(xiàn)，串口通信采用Qt的QExtSearialPort實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理層是整個系統(tǒng)的主體部分，主要負責(zé)報文解析，報文生成，提供接口供展示層調(diào)用，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)與操作接口的分離。展示層提供數(shù)據(jù)的展示與用戶交互功能，不涉及具體的業(yè)務(wù)流程處理。針對不同的數(shù)據(jù)，展示層提供二維表格、層次樹等不同的展示方式，采用Qt的Model－View模式，可高效快速顯示刷新數(shù)據(jù)。展示層還提供個性化的右鍵菜單、按鈕與工具欄。當用戶點擊某個菜單或按鈕時，展示層會調(diào)用數(shù)據(jù)處理層的對應(yīng)接口，對用戶的操作進行處理。
4結(jié)果
實現(xiàn)與分析軟件主界面如圖9所示：左側(cè)為資源管理器，用來管理變電站，變電站下支持新建多個裝置。右側(cè)為工作區(qū)，用來展示當前活動裝置支持的功能。圖9軟件主界面點擊工作區(qū)某個功能按鈕，主進程將啟動相應(yīng)的子進程。以在線瀏覽功能為例，圖10所示為裝置報告查看界面。
5結(jié)束語
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；燃機模塊；電子控制系統(tǒng)；軟件設(shè)計
引言
隨著燃氣輪機在工業(yè)現(xiàn)場的廣泛使用，對控制性能的要求越來越高，其控制系統(tǒng)也迅速從液壓機械式控制器發(fā)展為模擬式電子控制系統(tǒng),進而發(fā)展成數(shù)字電子控制系統(tǒng)。到20世紀90年代,燃氣輪機開始全面配置數(shù)字電子控制系統(tǒng)。近年來，國外燃氣輪機的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了標準化、系列化，實現(xiàn)了模塊化,并配置了菜單式的開發(fā)軟件。模塊化控制系統(tǒng)中通信總線是系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的橋梁，總線的可靠性是系統(tǒng)可靠性的保障，總線速度也直接影響到整個控制器的性能，因此必須選擇實時、可靠的通信總線。MIL-STD-1553B、ARINC-429等傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線可靠性高、使用靈活，工程上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但卻遭受速度瓶頸。工業(yè)實時以太網(wǎng)技術(shù)具有速度快、實時性好、可靠性高等特點，它的發(fā)展使工業(yè)控制在通用化、模塊化、數(shù)據(jù)交換等方面都面臨新的技術(shù)革命，特別適用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)計。EtherCAT是由德國Beckhoff公司開發(fā)。采用以太網(wǎng)幀，以特定環(huán)狀拓撲發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)，擁有杰出的通訊性能，接線簡單，并對其它協(xié)議開放。
1.總體方案
1.1燃機模塊式電子控制系統(tǒng)方案
系統(tǒng)的控制對象是某型艦用中檔功率系列燃氣輪機，控制系統(tǒng)采用開放性的模塊結(jié)構(gòu)。電子控制器采用標準化、系列化的模塊設(shè)計，各模塊間采用最新的工業(yè)實時以太網(wǎng)Ethercat連接，控制軟件設(shè)計成可選擇、可配置的標準模塊和接口，液壓執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個控制系統(tǒng)的設(shè)計變?yōu)楣δ苣K的選擇、匹配和調(diào)整——根據(jù)燃機控制系統(tǒng)的信號數(shù)量和接口類型選擇合適的硬件模塊，根據(jù)特定控制規(guī)律和控制系統(tǒng)要求選擇、配置相應(yīng)的軟件模塊，根據(jù)燃油和導(dǎo)葉的控制要求選擇合適液壓執(zhí)行機構(gòu)。采用的是成熟的模塊使各模塊功能、性能都有了保證，各部件僅需要進行部分調(diào)整就能滿足要求，既縮短研發(fā)周期，又提高系統(tǒng)的可靠性，同時也便于今后實現(xiàn)性能改進和功能擴展。
1.2燃機控制系統(tǒng)組成
燃機控制系統(tǒng)包括綜合電子控制柜、系統(tǒng)軟件、液壓執(zhí)行機構(gòu)、電氣系統(tǒng)等。液壓機械裝置采用模塊化設(shè)計方法，包括高壓燃油泵、燃油計量裝置、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置等。各模塊可根據(jù)具體燃機要求配合使用。電子硬件通用模塊包括：電子控制器模塊、獨立保護模塊。系統(tǒng)軟件包含控制軟件和應(yīng)用軟件?？刂葡到y(tǒng)接收來自控制室或監(jiān)控臺的控制信號，對燃氣輪機的起動、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運行以及停車和重要參數(shù)限制實施全面的自動控制和安全保護，能實現(xiàn)對燃機輔助系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，能實現(xiàn)對燃機的故障診斷和重要參數(shù)的記錄、存貯和通訊。
2.控制軟件設(shè)計
2.1電子控制器方案介紹
電子控制器由主CPU模塊與AD模塊、DA模塊、FI模塊、IO模塊等低級模塊組成，各模塊自帶CPU處理器，模塊之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)模塊化設(shè)計，控制器的各種功能模塊之間用實時以太網(wǎng)進行連接，完成數(shù)據(jù)交互。各模塊可以集中在一起也可以分散到燃機的各部分，通過工業(yè)總線實現(xiàn)實時信息交流和控制。
2.2控制軟件分層設(shè)計
控制軟件包含CPU模塊的控制應(yīng)用軟件、其它通用模塊底層軟件組成。底層軟件與模塊一一對應(yīng)。模塊的底層軟件主要是實現(xiàn)通用模塊采集、輸出或信息交互功能，并與其它模塊通訊，傳遞和接受信息，實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能。CPU模塊的控制應(yīng)用軟件通過與底層軟件，根據(jù)模塊的特點進行功能的初始選擇和配置。初步設(shè)計的控制軟件層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，該層次結(jié)構(gòu)適用于主CPU模塊與所有低級功能模塊。由于低級功能模塊的任務(wù)都比較簡單，所以并無必要采用實時內(nèi)核，主CPU模塊也需根據(jù)實際情況決定采用傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)還是基于實時內(nèi)核的并行結(jié)構(gòu)。同一功能的器件在驅(qū)動程序?qū)酉蝽攲犹峁┮恢碌慕涌?，在這一層次中需要制定對器件讀、寫、模式設(shè)置、中斷、輪詢等操作的驅(qū)動程序函數(shù)模版。整理電子控制器硬件設(shè)計中常用的接口器件資料，針對這些器件編寫驅(qū)動程序并用數(shù)據(jù)庫進行驅(qū)動程序模塊的管理。
2.3控制軟件模塊化設(shè)計
控制軟件采用模塊設(shè)計，將燃機的主要控制過程、各種控制規(guī)律形成標準程序模塊。模塊劃分可層層分解，步步細化，當針對具體燃機時只要選用合適的模塊進行組合，并進行對參數(shù)設(shè)置連接就可形成控制程序。程序的框架設(shè)計要保證其可擴展性，根據(jù)燃機控制要求的變化，不斷的增加先進控制規(guī)律、控制算法模塊提高整個系統(tǒng)的性能。在對燃機控制系統(tǒng)的特點進行充分分析的基礎(chǔ)后，建立對燃機控制軟件的通用框架結(jié)構(gòu)、模塊劃分準則與模塊配置策略，通過更改模塊配置信息、模塊整體更換等方式靈活構(gòu)建可靠的燃機控制軟件。軟件模塊化按照由粗到細、由繁到簡的指導(dǎo)方針，按步驟逐級細化，最終生成最基本的模塊單元。根據(jù)燃機控制系統(tǒng)的功能，將控制軟件劃分為基本數(shù)值計算模塊庫、信號處理模塊庫、故障處理模塊庫、起動控制模塊庫、燃機運行控制模塊庫、停車控制模塊庫、輔助系統(tǒng)控制模塊庫、底層軟件模塊庫、通訊協(xié)議模塊庫。模塊一般采用標準C語言編寫，與CPU相關(guān)的代碼采用匯編語言編寫，考慮到不同CPU的字長、對齊方式等特性，模塊內(nèi)部均采用自定數(shù)據(jù)類型，且可通過外部進行設(shè)置。
3.通訊軟件設(shè)計
EtherCAT通訊程序包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、EtherCAT接口模塊、EtherCAT設(shè)備模塊、主站模塊和從站模塊。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊完成底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收功能。EtherCAT接口模塊實現(xiàn)EtherCAT通訊程序與功能軟件的接口功能。EtherCAT設(shè)備模塊實現(xiàn)EtherCAT設(shè)備掃描和軟件初始化工作。主站模塊實現(xiàn)主站初始化命令和循環(huán)命令的發(fā)送處理，實現(xiàn)和維護主站的狀態(tài)機。從站模塊實現(xiàn)從站設(shè)備的配置，同時維護從站設(shè)備的狀態(tài)機。
3.1Ethercat協(xié)議
EtherCAT是用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個EtherCAT報文，每個報文都服務(wù)于一塊邏輯過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實現(xiàn)。當需要實現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場。然而，EtherCAT不僅限于單個子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報文，這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實時特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)方式。因為UDP數(shù)據(jù)報文僅在第一個站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時間基本不受影響。另外，根據(jù)主/從數(shù)據(jù)交換原理，EtherCAT也非常適合控制器之間（主/從）的通訊。自由編址的網(wǎng)絡(luò)變量可用于過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口也相同。從站到從站的通訊則有兩種機制以供選擇。一種機制是，上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實現(xiàn)通訊，速度非?？臁Ｓ捎谶@種方法與拓撲結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)用等。而對于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機制—數(shù)據(jù)通過主站進行中繼。這種機制需要兩個周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過程耗時仍然快于采用其他方法所耗費的時間。EtherCAT僅使用標準的以太網(wǎng)幀，無任何壓縮。因此，EtherCAT以太網(wǎng)幀可以通過任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標準工具。
3.2主站軟件設(shè)計
EtherCAT可以在單個以太網(wǎng)幀中最多實現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是，主站設(shè)備需要在每個網(wǎng)絡(luò)周期中為各個節(jié)點處理、發(fā)送和接收幀。而EtherCAT系統(tǒng)與此不同之處在于，每周期僅需要一個或兩個幀即可完成所有節(jié)點全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會給主機CPU帶來任何負擔，處理任務(wù)的同時，還可處理應(yīng)用程序，因此EtherCAT無需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站容易實現(xiàn)，尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應(yīng)用場合。EtherCAT映射不是在主站產(chǎn)生，而是在從站產(chǎn)生，此時過程映像已經(jīng)完成排序。該特性進一步減輕了主機CPU的負擔?？梢钥吹?，EtherCAT主站完全在主機CPU中采用軟件方式實現(xiàn)，相比之下，傳統(tǒng)的慢速現(xiàn)場總線系統(tǒng)通過有源插接卡方可實現(xiàn)主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務(wù)于DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機資源。
3.3從站軟件設(shè)計
子站模塊劃分為A/D采樣模塊、頻率量模塊、LVDT及振動信號處理模塊、熱電阻信號處理模塊、熱電偶信號處理模塊、壓力信號處理模塊、電流電壓信號處理模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸入1模塊、開關(guān)量輸入2模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸出模塊1、模擬量輸出模塊2，備份槽。主程序通過不同的功能要求調(diào)用軟件塊。軟件模塊設(shè)計的基本原則是數(shù)據(jù)隱藏，即各模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)私有，并提供外部接口訪問這些私有數(shù)據(jù)，各模塊之間相互獨立，從而降低各模塊之間的耦合程度。整個框架提供諸多配置接口，具有一定的通用性。子站模塊實現(xiàn)的功能為DSP外設(shè)初始化；獲取通道信息；獲取開關(guān)量輸入、擬量輸入、頻率量輸入信號；輸出開關(guān)量、PWM信號；FLASH存儲器操作；定時器的啟停、看門作等。
4.結(jié)束語
在國內(nèi)航空發(fā)動機電子控制系統(tǒng)研制的技術(shù)積累基礎(chǔ)上，開展基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的燃機模塊式電子器研究工作，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、具有國際先進水平的燃機模塊式電子控制系統(tǒng)，不僅可以創(chuàng)造經(jīng)濟效益，而且能夠打破燃機電子控制系統(tǒng)被國外公司壟斷的局面，極大提高燃機市場的核心競爭力。
參考文獻
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本文根據(jù)中小型油庫發(fā)油系統(tǒng)控制管理發(fā)展現(xiàn)狀,針對中小型油庫發(fā)油系統(tǒng) 中所存在的問題,設(shè)計了中小型油庫自動化發(fā)油系統(tǒng),編寫了上位機監(jiān)控軟 件和下位機 PLC 控制程序及管理軟件。 在中小型油庫發(fā)油系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中我主要完成了下面的工作:
(1)根據(jù)該項目設(shè)計的要求:對系統(tǒng)進行了總體設(shè)計。構(gòu)建了以通用 PC 機 為上位機,可編程序控制器(S7-200PLC)為下位機的控制系統(tǒng)。
(2)控制軟件編程:控制軟件采用自適應(yīng)設(shè)計,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)揮到最佳 狀態(tài)。采用提前量自整定的控制算法并編寫了 PLC 程序,實現(xiàn)了提高了發(fā)油精 度的設(shè)計目標。
(3)組態(tài)軟件設(shè)計:利用組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機對系統(tǒng)的組態(tài)控制。
由于時間有限,本課題難免存在一些不足,需在以后的研究中進一步完善。 后續(xù)工作應(yīng)集中在以下幾方面:
(1)本系統(tǒng)設(shè)計主要是針對中小型油庫而設(shè)計的,總的發(fā)油鶴位小于十個, 如果油庫的規(guī)模再大些,可以采用 S7-300PLC 作控制主站,S7-200PLC 通過 PROFIBUS 現(xiàn)場總線掛接在 S7-300 上作為控制從站,形成 PROFIBUS 現(xiàn)場總線 結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的適應(yīng)能力會更強大。
(2)為了加強系統(tǒng)的可靠性,如果條件允許,還可以增加雙設(shè)備冗余或雙 機熱備功能。
(3)在原有控制程序的算法上加入人工智能方法(專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)),實現(xiàn)智能控制,從而提高控制系統(tǒng)的性能。
6 技術(shù)經(jīng)濟分析
本文是針對中小型油庫設(shè)計的。設(shè)計的對象是自動發(fā)油系統(tǒng);設(shè)計的目的是在日益激烈的國際市場競爭面前,提高油庫效率,加快周轉(zhuǎn),加強安全管理,減少人為差錯,增強竟爭力和提升企業(yè)形象。信息化、自動化、規(guī)范化是油庫發(fā)展的必然趨勢。
以PLC為控制器投資比較大。一臺西門子S7-200的PLC加上擴展模塊售價為5000元;油泵每臺2500元以內(nèi);電動機每臺2000元,總投資為23000元。它比DCS系統(tǒng)和以太網(wǎng)系統(tǒng)要貴一些,但是,它以良好的人機界面、發(fā)油的穩(wěn)定性和兼容性為以后的維修和長時間的使用打下了基礎(chǔ),后期的維修費用大大降低了。
致謝
本論文是老師的悉心指導(dǎo)下完成的,在課題進展的全過程中,宋老師精心指導(dǎo),嚴格要求,可以說自己每一步的前進都是與老師的指導(dǎo)分不開的。 宋老師學(xué)識淵博、治學(xué)嚴謹,具有豐富的實際科研項目經(jīng)驗。宋老師待人熱情,從不以長者自居,他是學(xué)生的良師益友?？偠灾?無論是在做學(xué)問還是在做人方面,宋老師為我樹立了榜樣,指明了方向。
本論文之所以能順利完成,還要感謝同學(xué)們的熱心幫助,我還要向自己的父母、親戚和朋友表示感激,感謝他們的全力支持和鼓勵。最后,我再一次向曾經(jīng)支持和幫助過我的老師、同學(xué)表示衷心 的感謝!
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