時(shí)間：2023-03-14 15:15:21
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1553B通信節(jié)點(diǎn)與各個(gè)傳感器采用主從式通信模式進(jìn)行通信。通過將1553B通信節(jié)點(diǎn)配置為BC(總線控制器)，傳感器節(jié)點(diǎn)配置為RT(遠(yuǎn)程終端)。所有傳感器節(jié)點(diǎn)需使用不同的1553B地址，并將其作為通信集群中節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)外部1553B傳感器由慣導(dǎo)傳感器、大氣數(shù)據(jù)機(jī)傳感器和無線電高度傳感器組成，樣例飛行控制計(jì)算機(jī)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(jī)交互具有很強(qiáng)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(gè)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(jī)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(gè)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容，本設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(shí)間調(diào)度設(shè)計(jì)由表1可知，飛行控制計(jì)算機(jī)各個(gè)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(gè)RT進(jìn)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(shí)現(xiàn)多個(gè)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(gè)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(jī)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(jì)將慣導(dǎo)傳感器和無線電高度傳感器分別位于兩個(gè)小周期中，使兩個(gè)小周期的數(shù)據(jù)流量平衡，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小周期的通道資源充分利用。
2、FlexRay總線時(shí)間調(diào)度
根據(jù)樣例飛行控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線FlexRay通信協(xié)議可知，內(nèi)部總線通信時(shí)間為5ms，每個(gè)時(shí)隙為50μs，F(xiàn)lexRay總線最大幀長為127字［7］。本設(shè)計(jì)中1553B幀長度最大為54個(gè)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(jì)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(dāng)有傳感器數(shù)據(jù)更新時(shí)，F(xiàn)lexRay總線傳輸最新的數(shù)據(jù);而當(dāng)沒有數(shù)據(jù)更新時(shí)，F(xiàn)lexRay總線傳輸當(dāng)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(shí)隙數(shù)量，本設(shè)計(jì)共使用總線三個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙具體傳輸內(nèi)容如表4所示，時(shí)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(jī)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(jì)
3.1驅(qū)動軟件的IP核封裝與實(shí)現(xiàn)
在嵌入式FPGAEDK設(shè)計(jì)中，為了簡化用戶開發(fā)難度，Xilinx公司提供了一個(gè)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(gè)邏輯接口。本文軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。其設(shè)計(jì)步驟如下:首先，將每個(gè)硬件模塊對應(yīng)編寫一個(gè)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(shí)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(jī)制實(shí)現(xiàn)對各個(gè)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(jì)
如圖5所示為1553B總線接口IP核結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)驅(qū)動分為三個(gè)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(jìn)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(dāng)讀控制信號使能時(shí)，PowerPC405讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù);當(dāng)寫控制信號使能時(shí)，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(jì)
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(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。如圖6所示為節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的初始化，進(jìn)而查詢1553B對應(yīng)FIFO滿輸出引腳，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)讀取FIFO內(nèi)容，并寫入相應(yīng)的總線發(fā)送緩沖區(qū)中。進(jìn)而查詢MFR4310的中斷引腳信號，當(dāng)發(fā)送中斷有效時(shí)，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(dāng)接收中斷有效時(shí)，執(zhí)行接收中斷子程序，通信節(jié)點(diǎn)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(jìn)而進(jìn)行總線故障檢測。由于1553B總線的基本周期為10ms，故本設(shè)計(jì)中總線檢測周期為10ms。當(dāng)定時(shí)器的10ms定時(shí)時(shí)間到，總線進(jìn)行一次總線檢測。當(dāng)接收到總線切換指令，通信單元進(jìn)行總線切換，并更新總線狀態(tài);進(jìn)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(jì)數(shù)清零，倘若沒有，將故障計(jì)數(shù)加1，當(dāng)故障計(jì)數(shù)大于6，進(jìn)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(shí)隙長度為50μs，將CPU板卡與1553B板卡進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，從總線上讀出輸出波形。FlexRay總線通信時(shí)，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(gè)周期時(shí)隙輸出波形，時(shí)隙2、7、15傳輸傳感器數(shù)據(jù)。由圖8可知，時(shí)隙2與時(shí)隙7相差250μs，時(shí)隙7與時(shí)隙15相差350μs，與預(yù)設(shè)值一致。FlexRay總線通信6小時(shí)，進(jìn)而進(jìn)行連續(xù)總線數(shù)據(jù)傳輸測試，經(jīng)過6個(gè)小時(shí)的總線測試結(jié)果如表5所示，通信過程中，丟幀、錯(cuò)幀計(jì)數(shù)均為0，表明1553B通信單元FlexRay總線設(shè)計(jì)正確，可以滿足飛行控制計(jì)算機(jī)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(jī)傳感器數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)8字節(jié)，進(jìn)行通信2小時(shí)、4小時(shí)、6小時(shí)、10小時(shí)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(shí)～4小時(shí)，4小時(shí)～6小時(shí)，6小時(shí)～10小時(shí)通信期間，丟幀數(shù)分別為1，1，0，合計(jì)丟幀率約為5.56×10－7，符合飛行控制計(jì)算機(jī)通信要求。(3)測試結(jié)論以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1553B通信單元的各個(gè)模塊通信正常，與飛行控制計(jì)算機(jī)CPU板卡通信正常，能夠符合飛行控制計(jì)算機(jī)的通信要求。
5、結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)是在復(fù)雜的多軸運(yùn)動控制技術(shù)之上結(jié)合了遠(yuǎn)程通信技術(shù)，以此來實(shí)現(xiàn)超聲檢測的遠(yuǎn)程自動控制。此系統(tǒng)主要由上位機(jī)、多軸運(yùn)動控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)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(jī)LabVIEW控制系統(tǒng)為多軸運(yùn)動控制器發(fā)送運(yùn)動指令，并由多軸運(yùn)動控制器將運(yùn)動信號拆分為步進(jìn)信號和方向信號，再將這兩種電機(jī)控制信號發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)化為角位移發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)個(gè)步距角，以達(dá)到使步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)動的目的。步進(jìn)電機(jī)上安裝有機(jī)械執(zhí)行裝置，用以固定超聲探頭，機(jī)械執(zhí)行裝置上安有限位開關(guān)，以此控制電機(jī)的運(yùn)動范圍，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動到限位開關(guān)的位置時(shí)，限位開關(guān)發(fā)出限位信號到多軸運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器便停止發(fā)出使電機(jī)運(yùn)動的脈沖信號。在進(jìn)行自動超聲檢測時(shí)，Z軸方向機(jī)械執(zhí)行機(jī)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(jī)運(yùn)動控制算法設(shè)計(jì)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行連續(xù)檢測，并實(shí)時(shí)向PC機(jī)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(jī)的圖像處理系統(tǒng)形成超聲檢測圖像，以此來實(shí)現(xiàn)物體的超聲檢測。
2多軸運(yùn)動控制器的方案設(shè)計(jì)
多軸運(yùn)動控制器可以通過遠(yuǎn)程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機(jī)的控制信號，向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號和方向信號以完成對電機(jī)的運(yùn)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(yuǎn)程通信的功能。在Linux操作平臺上進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)，并采用UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與運(yùn)動控制器之間的遠(yuǎn)程通信［3］。
2．1多軸運(yùn)動控制器硬件電路設(shè)計(jì)
本文采用ARM9處理器S3C2440設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中運(yùn)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(jì)了運(yùn)動控制器的以太網(wǎng)接口。運(yùn)動控制器硬件整體框圖如圖2所示。運(yùn)動控制器選用ARM9處理器作為運(yùn)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器的插補(bǔ)等多軸運(yùn)動控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)LabVIEW與運(yùn)動控制器之間的遠(yuǎn)程通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲檢測的遠(yuǎn)程自動控制。為了解決步進(jìn)電機(jī)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(jì)了電壓轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中，同時(shí)負(fù)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(kuò)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(yùn)動控制器軟件設(shè)計(jì)
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(gè)軸有2個(gè)限位開關(guān)，在每次超聲檢測前，把每個(gè)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(jì)運(yùn)動控制器的軟件時(shí)便可將限位開關(guān)做為邊界條件，以此來設(shè)計(jì)探頭的運(yùn)動范圍。其運(yùn)動控制流程:首先系統(tǒng)初始化，通過上微機(jī)控制界面人工控制探頭到被測工件的起點(diǎn)，然后X軸正向運(yùn)動到X軸限位開關(guān)處，Y軸正向運(yùn)動一個(gè)探頭直徑的長度，X軸再反向運(yùn)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(yùn)動一個(gè)探頭直徑的長度，如此往復(fù)運(yùn)動直至探頭到達(dá)Y軸的限位開關(guān)處，檢測結(jié)束，探頭復(fù)位。運(yùn)動控制軟件流程圖如圖3所示。
3多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是以LabVIEW開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，使用圖形G語言進(jìn)行編寫的，主要包括多軸運(yùn)動控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機(jī)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(jī)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(shí)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(xì)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(yuǎn)程通信功能的上位機(jī)控制軟件［5］。上位機(jī)LabVIEW軟件的遠(yuǎn)程通信模塊、運(yùn)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(yùn)動控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。
3．1運(yùn)動控制軟件設(shè)計(jì)
運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件部分主要由運(yùn)動方式選擇、探頭位置坐標(biāo)、運(yùn)動控制等模塊組成，可完成對系統(tǒng)運(yùn)動方式的選擇，運(yùn)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(yùn)動方式選擇模塊可根據(jù)實(shí)際需要完成相對運(yùn)動或是絕對運(yùn)動兩種運(yùn)動方式的選擇，并會依照選擇的既定運(yùn)動模式將X、Y、Z三軸的相應(yīng)運(yùn)動位置坐標(biāo)輸出在相應(yīng)顯示欄中，以便進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)核對以及設(shè)定;運(yùn)動控制模塊可依照檢測規(guī)則實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動過程的控制，包括:設(shè)定相對原點(diǎn)、運(yùn)行、復(fù)位、以及退出等相關(guān)操作。相對原點(diǎn)設(shè)定可以將探頭任意當(dāng)前位置設(shè)為新的原點(diǎn)，并以原點(diǎn)作為下一個(gè)運(yùn)動的起始點(diǎn)，即為探頭位置坐標(biāo)的相對零點(diǎn)，并將此刻相對原點(diǎn)的絕對位置坐標(biāo)值在文本框中顯示出來。運(yùn)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(jì)
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(yùn)動控制器與上位機(jī)LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信。具體設(shè)計(jì)如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開UDP鏈接，使用“UDPWrite”節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)及結(jié)果
實(shí)驗(yàn)平臺由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、上位機(jī)控制軟件和自主研發(fā)的多軸運(yùn)動控制器構(gòu)成。在上位機(jī)的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運(yùn)動方式，然后根據(jù)用戶的檢測需求設(shè)定運(yùn)動速度和運(yùn)動距離，點(diǎn)擊運(yùn)行后探頭即按所設(shè)定運(yùn)行。探頭運(yùn)動過程中還可以選擇設(shè)定當(dāng)前位置為原點(diǎn)，探頭即按照新的原點(diǎn)重新開始運(yùn)動。同時(shí)，在探頭運(yùn)動時(shí)會實(shí)時(shí)顯示探頭當(dāng)前所在位置坐標(biāo)。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(lì)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(jìn)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(jī)發(fā)送。上位機(jī)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(yùn)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(shí)，兩側(cè)風(fēng)門的微波傳感器檢測到有效運(yùn)動速度信號，首先進(jìn)行信號競爭，根據(jù)競爭結(jié)果開啟某一風(fēng)門。2個(gè)風(fēng)門入口信號4選1采取競爭方法進(jìn)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(gè)檢測周期內(nèi)，只有一個(gè)信號有效。2個(gè)風(fēng)門各2個(gè)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(jìn)行開閉風(fēng)門。人員在巷道內(nèi)行進(jìn)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(jìn)完成狀態(tài)估計(jì)。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(jìn)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(jìn)的最終位置分為不同的狀態(tài)估計(jì)，結(jié)合定時(shí)器對人員狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和制定控制策略。
（3）實(shí)現(xiàn)方法
有限狀態(tài)機(jī)（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(shí)刻必須而且只能處于其中的一個(gè)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(dāng)前狀態(tài)約束。因此，研究有限狀態(tài)機(jī)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(gè)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(gè)狀態(tài)都有其特定的輸出（系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)），即系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換伴隨著系統(tǒng)的性能指標(biāo)隨時(shí)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(jìn)過程中的每個(gè)有效位置都相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)，在任何時(shí)刻風(fēng)門只能處于一個(gè)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(dāng)傳感器信號滿足進(jìn)入某一工況的條件時(shí)，風(fēng)門立即進(jìn)入該工況下運(yùn)行，一旦外部事件不受該工況下條件的約束時(shí)，風(fēng)門立即離開該工況尋找另一個(gè)工況。每個(gè)風(fēng)門區(qū)域可以作為一個(gè)對象，該對象有微波傳感器和定時(shí)器屬性，屬性取值為開或關(guān)。2個(gè)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(gè)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(jī)視圖表達(dá)，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(shí)器對人車運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分類。從初始狀態(tài)開始，當(dāng)人車運(yùn)動速度滿足最低傳感器1閾值接近區(qū)域入口時(shí)，風(fēng)門開啟，進(jìn)入狀態(tài)1，此時(shí)開啟定時(shí)器1；若在定時(shí)時(shí)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(jìn)入狀態(tài)2，同時(shí)開啟定時(shí)器2，此時(shí)判斷人車進(jìn)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(jìn)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(shí)進(jìn)入狀態(tài)4，此時(shí)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(shí)如果傳感器沒有信號則進(jìn)行短暫延時(shí)后關(guān)閉風(fēng)門。下一步就是根據(jù)狀態(tài)機(jī)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(jìn)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(shí)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(jī)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(jì)采用單片機(jī)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(jìn)電機(jī)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(dāng)于節(jié)氣門的開度。因此，當(dāng)輸入的實(shí)際車速A等于目標(biāo)車速B時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將不轉(zhuǎn)動；當(dāng)輸入的實(shí)際車速A大于目標(biāo)車速B時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會反轉(zhuǎn)，減小節(jié)氣門開度，從而使實(shí)際車速降低至目標(biāo)車速；當(dāng)輸入的實(shí)際車速A小于目標(biāo)車速B時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會正轉(zhuǎn)，加大節(jié)氣門開度，使實(shí)際車速升高至目標(biāo)車速，汽車進(jìn)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(shí)際系統(tǒng)中最強(qiáng)的干擾來自自身，如被控的負(fù)載電機(jī)的通斷、狀態(tài)的變化等，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)應(yīng)適當(dāng)采取措施避開這些干擾。如：當(dāng)系統(tǒng)要斷開或接通大功率負(fù)載時(shí)應(yīng)暫停數(shù)據(jù)采集，等到干擾過去后再繼續(xù)進(jìn)行；在適當(dāng)?shù)牡胤椒怄i一些中斷源；幾個(gè)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(hù)措施。在控制系統(tǒng)中，一般情況下干擾都不會造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件損壞，但會對軟件的運(yùn)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(cuò)誤，最典型的是程序計(jì)數(shù)器發(fā)生跳變，可能把數(shù)據(jù)當(dāng)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(jìn)入死循環(huán)，使整個(gè)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(yàn)證
3．1定速巡航控制系統(tǒng)總體仿真電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)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?yàn)檫M(jìn)行實(shí)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(jì)最終結(jié)果通過Proteus仿真來實(shí)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(jī)、ULN2003驅(qū)動芯片、步進(jìn)電機(jī)等元件，可滿足設(shè)計(jì)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(jī)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(yàn)結(jié)果與分析
在Proteus仿真平臺上分別對4種情況進(jìn)行仿真，即實(shí)際車速A等于目標(biāo)車速B、實(shí)際車速A大于目標(biāo)車速B、實(shí)際車速A小于目標(biāo)車速B及實(shí)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(dāng)輸入的實(shí)際車速A等于目標(biāo)車速B時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動；當(dāng)實(shí)際車速A大于目標(biāo)車速B時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)，節(jié)氣門開度減小；當(dāng)實(shí)際車速A小于目標(biāo)車速B時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)，節(jié)氣門開度加大；當(dāng)實(shí)際車速A超過120km／h、低于40km／h（即脈沖頻率低于100Hz、高于999Hz）時(shí)，巡航控制系統(tǒng)會自動退出，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動。表明所設(shè)計(jì)的軟件能實(shí)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(hù)、在線瀏覽操作、一鍵歸檔分析功能。定義上位機(jī)調(diào)試軟件為控制方向，裝置側(cè)服務(wù)器程序?yàn)楸O(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(jī)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(jìn)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(jìn)行程序維護(hù)、狀態(tài)瀏覽、數(shù)據(jù)歸檔收集等操作。
1、2裝置程序維護(hù)保護(hù)測控裝置調(diào)試軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上傳配置文件、日志文件等文本?？刂品较掳l(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(dá)文件尾部后給出結(jié)束幀標(biāo)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(yùn)行調(diào)試過程中，往往需要通過調(diào)試相關(guān)變量進(jìn)行狀態(tài)診斷。在調(diào)試上位機(jī)程序時(shí)，可以使用IDE或gdb等進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，設(shè)置斷點(diǎn)并查看變量值。嵌入式裝置在運(yùn)行狀態(tài)下，監(jiān)視相關(guān)變量時(shí)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(gè)實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行詞法分析和語法分析，進(jìn)行宏表達(dá)式求值，計(jì)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(shí)例名，不需手工計(jì)算變量地址，調(diào)試軟件在計(jì)算相對地址時(shí)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(shí)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(gè)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(hù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870－5－103協(xié)議［6］，可以實(shí)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(yùn)行管理和維護(hù)。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(shí)時(shí)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(bào)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(shí)時(shí)顯示裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)、參看監(jiān)視報(bào)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(bào)告清除等關(guān)鍵操作，需要輸入用戶名和密碼，進(jìn)行權(quán)限校驗(yàn)。以定值設(shè)置整定為例，其報(bào)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(dāng)前的斷面數(shù)據(jù)（包括裝置模擬量、狀態(tài)量、定值、報(bào)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(gè)數(shù)據(jù)包。當(dāng)現(xiàn)場運(yùn)行的裝置出現(xiàn)異?；蛱l動作時(shí)，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(jì)
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(jì)思想，進(jìn)行分層、分模塊設(shè)計(jì)，以去除界面、數(shù)據(jù)、接口之間具體耦合，方便擴(kuò)充。調(diào)試軟件由引導(dǎo)主進(jìn)程和按照功能劃分的子進(jìn)程組成。如圖7所示，引導(dǎo)主進(jìn)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(diǎn)擊裝置節(jié)點(diǎn)時(shí)，會在右側(cè)按照模塊劃分，分類顯示相關(guān)功能。點(diǎn)擊功能圖標(biāo)，傳入形參，啟動獨(dú)立的子進(jìn)程。通過組件化的設(shè)計(jì)思路，可確保增加一個(gè)新的模塊時(shí)，不會影響已經(jīng)穩(wěn)定的模塊?；谧舆M(jìn)程的軟件管家模式，也減少了人機(jī)界面的操作復(fù)雜度，用戶在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只需專注于單一圖4在線瀏覽報(bào)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(jì)算機(jī)》2014年第27卷第11期的功能，并可快捷地切換到另一個(gè)功能的操作界面。
2、2類瀏覽器界面風(fēng)格當(dāng)各個(gè)子進(jìn)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(biāo)簽頁管理子進(jìn)程的界面。對各子進(jìn)程的界面、顏色進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)計(jì)，基于QT－CSS技術(shù)，設(shè)計(jì)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(biāo)簽頁QTabWid-get、層次樹QListTreeWidget、停靠欄QDockWidget等控件的邊框、縮進(jìn)、標(biāo)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(jìn)程在風(fēng)格上高度統(tǒng)一。
3軟件分層設(shè)計(jì)
除按照主進(jìn)程－子進(jìn)程的模塊化設(shè)計(jì)外，單個(gè)通信子進(jìn)程按照分層原則設(shè)計(jì)，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(fù)責(zé)從裝置接收報(bào)文并將數(shù)據(jù)處理層的報(bào)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(shí)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(cuò)重傳及超時(shí)重傳機(jī)制。其中網(wǎng)絡(luò)通信采用ACE中間件實(shí)現(xiàn)，串口通信采用Qt的QExtSearialPort實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理層是整個(gè)系統(tǒng)的主體部分，主要負(fù)責(zé)報(bào)文解析，報(bào)文生成，提供接口供展示層調(diào)用，實(shí)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(gè)性化的右鍵菜單、按鈕與工具欄。當(dāng)用戶點(diǎn)擊某個(gè)菜單或按鈕時(shí)，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(jìn)行處理。
4結(jié)果
實(shí)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(gè)裝置。右側(cè)為工作區(qū)，用來展示當(dāng)前活動裝置支持的功能。圖9軟件主界面點(diǎn)擊工作區(qū)某個(gè)功能按鈕，主進(jìn)程將啟動相應(yīng)的子進(jìn)程。以在線瀏覽功能為例，圖10所示為裝置報(bào)告查看界面。
5結(jié)束語
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；燃機(jī)模塊；電子控制系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)
引言
隨著燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)械式控制器發(fā)展為模擬式電子控制系統(tǒng),進(jìn)而發(fā)展成數(shù)字電子控制系統(tǒng)。到20世紀(jì)90年代,燃?xì)廨啓C(jī)開始全面配置數(shù)字電子控制系統(tǒng)。近年來，國外燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，實(shí)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(gè)控制器的性能，因此必須選擇實(shí)時(shí)、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(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)具有速度快、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等特點(diǎn)，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(jì)。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?fù)浒l(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(jī)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?xì)廨啓C(jī)，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(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊設(shè)計(jì)，各模塊間采用最新的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethercat連接，控制軟件設(shè)計(jì)成可選擇、可配置的標(biāo)準(zhǔn)模塊和接口，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變?yōu)楣δ苣K的選擇、匹配和調(diào)整——根據(jù)燃機(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)也便于今后實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)和功能擴(kuò)展。
1.2燃機(jī)控制系統(tǒng)組成
燃機(jī)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(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)等。液壓機(jī)械裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括高壓燃油泵、燃油計(jì)量裝置、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置等。各模塊可根據(jù)具體燃機(jī)要求配合使用。電子硬件通用模塊包括：電子控制器模塊、獨(dú)立保護(hù)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?xì)廨啓C(jī)的起動、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行以及停車和重要參數(shù)限制實(shí)施全面的自動控制和安全保護(hù)，能實(shí)現(xiàn)對燃機(jī)輔助系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，能實(shí)現(xiàn)對燃機(jī)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(jì)
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(jì)，控制器的各種功能模塊之間用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)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(jī)的各部分，通過工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交流和控制。
2.2控制軟件分層設(shè)計(jì)
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(shí)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(shí)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(diǎn)進(jìn)行功能的初始選擇和配置。初步設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)內(nèi)核，主CPU模塊也需根據(jù)實(shí)際情況決定采用傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)還是基于實(shí)時(shí)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(jì)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(jìn)行驅(qū)動程序模塊的管理。
2.3控制軟件模塊化設(shè)計(jì)
控制軟件采用模塊設(shè)計(jì)，將燃機(jī)的主要控制過程、各種控制規(guī)律形成標(biāo)準(zhǔn)程序模塊。模塊劃分可層層分解，步步細(xì)化，當(dāng)針對具體燃機(jī)時(shí)只要選用合適的模塊進(jìn)行組合，并進(jìn)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(jì)要保證其可擴(kuò)展性，根據(jù)燃機(jī)控制要求的變化，不斷的增加先進(jìn)控制規(guī)律、控制算法模塊提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。在對燃機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)后，建立對燃機(jī)控制軟件的通用框架結(jié)構(gòu)、模塊劃分準(zhǔn)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(jī)控制軟件。軟件模塊化按照由粗到細(xì)、由繁到簡的指導(dǎo)方針，按步驟逐級細(xì)化，最終生成最基本的模塊單元。根據(jù)燃機(jī)控制系統(tǒng)的功能，將控制軟件劃分為基本數(shù)值計(jì)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(jī)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行設(shè)置。
3.通訊軟件設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)EtherCAT通訊程序與功能軟件的接口功能。EtherCAT設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT設(shè)備掃描和軟件初始化工作。主站模塊實(shí)現(xiàn)主站初始化命令和循環(huán)命令的發(fā)送處理，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)主站的狀態(tài)機(jī)。從站模塊實(shí)現(xiàn)從站設(shè)備的配置，同時(shí)維護(hù)從站設(shè)備的狀態(tài)機(jī)。
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(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)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(dá)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要實(shí)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(shí)，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(gè)子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)時(shí)特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)報(bào)文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時(shí)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(yuǎn)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(jī)制以供選擇。一種機(jī)制是，上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)通訊，速度非?？?。由于這種方法與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)制—數(shù)據(jù)通過主站進(jìn)行中繼。這種機(jī)制需要兩個(gè)周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過程耗時(shí)仍然快于采用其他方法所耗費(fèi)的時(shí)間。EtherCAT僅使用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)工具。
3.2主站軟件設(shè)計(jì)
EtherCAT可以在單個(gè)以太網(wǎng)幀中最多實(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)周期中為各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)或兩個(gè)幀即可完成所有節(jié)點(diǎn)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(jī)CPU帶來任何負(fù)擔(dān)，處理任務(wù)的同時(shí)，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(shí)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(shí)過程映像已經(jīng)完成排序。該特性進(jìn)一步減輕了主機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)?？梢钥吹?，EtherCAT主站完全在主機(jī)CPU中采用軟件方式實(shí)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(shí)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(jī)資源。
3.3從站軟件設(shè)計(jì)
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(jì)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(dú)立，從而降低各模塊之間的耦合程度。整個(gè)框架提供諸多配置接口，具有一定的通用性。子站模塊實(shí)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(shí)器的啟停、看門作等。
4.結(jié)束語
在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)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(jī)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(jìn)水平的燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)，不僅可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠打破燃機(jī)電子控制系統(tǒng)被國外公司壟斷的局面，極大提高燃機(jī)市場的核心競爭力。
參考文獻(xiàn)
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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(jì)了中小型油庫自動化發(fā)油系統(tǒng),編寫了上位機(jī)監(jiān)控軟 件和下位機(jī) 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(jì)和開發(fā)中我主要完成了下面的工作:
(1)根據(jù)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求:對系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。構(gòu)建了以通用 PC 機(jī) 為上位機(jī),可編程序控制器(S7-200PLC)為下位機(jī)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(jì),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(shí)現(xiàn)了提高了發(fā)油精 度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
(3)組態(tài)軟件設(shè)計(jì):利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對系統(tǒng)的組態(tài)控制。
由于時(shí)間有限,本課題難免存在一些不足,需在以后的研究中進(jìn)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(jì)主要是針對中小型油庫而設(shè)計(jì)的,總的發(fā)油鶴位小于十個(gè), 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(qiáng)大。
(2)為了加強(qiáng)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(jī)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(shí)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(jì)分析
本文是針對中小型油庫設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)的對象是自動發(fā)油系統(tǒng);設(shè)計(jì)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(qiáng)安全管理,減少人為差錯(cuò),增強(qiáng)竟?fàn)幜吞嵘髽I(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(kuò)展模塊售價(jià)為5000元;油泵每臺2500元以內(nèi);電動機(jī)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(jī)界面、發(fā)油的穩(wěn)定性和兼容性為以后的維修和長時(shí)間的使用打下了基礎(chǔ),后期的維修費(fèi)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(jìn)展的全過程中,宋老師精心指導(dǎo),嚴(yán)格要求,可以說自己每一步的前進(jìn)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(yán)謹(jǐn),具有豐富的實(shí)際科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。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(lì)。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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