时间：2023-03-14 15:15:21
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1553B通信节点与各个传感器采用主从式通信模式进行通信。通过将1553B通信节点配置为BC(总线控制器)，传感器节点配置为RT(远程终端)。所有传感器节点需使用不同的1553B地址，并将其作为通信集群中节点的唯一ID。如表1所示为不同传感器1553B地址分配。飞行控制计算机外部1553B传感器由惯导传感器、大气数据机传感器和无线电高度传感器组成，样例飞行控制计算机各传感器数据流量如表2所示。BU-61580内部具有4k字的共享静态RAM，与主机交互具有很强的操作灵活性。BU-61580的存储数据的基本单元为消息块(MessageBlock)，每个消息块大小为38字［6］。其中数据字包含的最大数据量为32字，故一次可传输的最大数据量为32。本系统中，无线电高度传感器与大气数据机传感器的数据帧长度均小于32字节，可通过一次数据传输完成数据通信。而惯导传感器的数据帧长度为54个字节，超过了一次传输数据的最大字节数，为保证数据完整性，不破坏每个字节数据内容，本设计采用数据帧拆分的方式。通过将数据帧拆分，使每个数据块长度均小于32字节，然后通过BC与RT的两次数据通信完成整个惯导传感器数据帧的传输。惯导传感器数据格式如表3所示。2.31553B通信时间调度设计由表1可知，飞行控制计算机各个传感器的更新频率并非完全一致，速率最高为100Hz，最低为50Hz。针对BC与多个RT进行数据通信，BU-61580采用大周期和小周期协同的方案来实现多个传输速率的通信。由于本系统频率最高为100Hz，最低频率为50Hz，故将通信大周期选择为20ms，将小周期选择为10ms。如图3所示为BC与传感器RT1～RT3的大周期通信顺序图，每个大周期内，惯导传感器和无线电高度传感器与BC通信一次，而大气数据机传感器与BC通信两次。图3中，为平衡数据流量及小周期通信数量，本设计将惯导传感器和无线电高度传感器分别位于两个小周期中，使两个小周期的数据流量平衡，实现两个小周期的通道资源充分利用。
2、FlexRay总线时间调度
根据样例飞行控制计算机的内部总线FlexRay通信协议可知，内部总线通信时间为5ms，每个时隙为50μs，FlexRay总线最大帧长为127字［7］。本设计中1553B帧长度最大为54个字节，频率最高为100Hz，故使用上述FlexRay总线通信协议能够符合1553B总线通信要求。本设计中，1553B传感器数据的频率为50Hz和100Hz，而FlexRay总线通信频率为200Hz，内部总线通信速率高于外部传感器速率。故1553B板卡在内部总线通信过程中，当有传感器数据更新时，FlexRay总线传输最新的数据;而当没有数据更新时，FlexRay总线传输当前的传感器数据。为保证数据的完整性及减少占用总线时隙数量，本设计共使用总线三个时隙，每个时隙具体传输内容如表4所示，时隙2、7、15传输内容分别为惯导传感器无线电高度传感器和大气数据机的数据，数据帧大小分别为54字节、32字节、12字节。
3、1553B通信单元软件设计
3.1驱动软件的IP核封装与实现
在嵌入式FPGAEDK设计中，为了简化用户开发难度，Xilinx公司提供了一个封装了的接口，即IPIF(IPinterface，IP接口)作为介于PLB总线与用户逻辑模块之间的接口缓冲［8］。IPIF将PLB总线操作封装起来，而留给用户一个逻辑接口。本文软件设计采用模块化设计思想。其设计步骤如下:首先，将每个硬件模块对应编写一个驱动软件程序;其次，将相应驱动软件封装成通用IP核;最后，将IP核挂载到PowerPC内部总线PLB上。模块之间的通信主要通过PLB总线和OPB总线实现，系统中各模块通过这两种总线连接至PowerPC内核上，而PowerPC通过内部总线读写机制实现对各个模块的读写与控制。如图4所示为1553B通信单元的硬件平台总体架构图，主要由PowerPC内核、1553BIP核、FlexRay总线对应GPIOIP核集合、串口IP核、BRAM模块IP核及相应的中断控制IP核组成。
3.21553B总线接口驱动软件设计
如图5所示为1553B总线接口IP核结构图，整个驱动分为三个模块:总线读写模块，初始化模块和数据缓存模块。系统上电，该IP核激活，进行总线初始化操作，发送初始化完成信号并查询PLB读写信号，等待PowerPC405的读写操作。当读控制信号使能时，PowerPC405读取数据缓冲区中的数据;当写控制信号使能时，总线读写模块将数据缓冲区中的数据发送至总线上。
3.31553B通信算法设计
1553B通信单元的调度主要由外部1553B总线的数据接收，内部FlexRay总线的数据通信组成。本设计采用模块化设计，将系统功能划分为顶层应用和底层数据通信。底层数据通信主要包括外部数据流通信及内部数据流通信，外部数据流通信主要由1553BIP核实现，内部总线也由FlexRay驱动程序实现数据通信;而内核PowerPC主要实现顶层应用，即数据调度及总线故障切换功能的实现。如图6所示为节点通信程序流程图，系统上电后，首先对FlexRay总线及1553B总线节点进行相应的初始化，进而查询1553B对应FIFO满输出引脚，当接收到数据时，节点读取FIFO内容，并写入相应的总线发送缓冲区中。进而查询MFR4310的中断引脚信号，当发送中断有效时，执行发送中断子程序，将接收到1553B总线数据通过1553B总线发送出去;当接收中断有效时，执行接收中断子程序，通信节点接收CPU发送来的控制信号。系统完成数据调度后，进而进行总线故障检测。由于1553B总线的基本周期为10ms，故本设计中总线检测周期为10ms。当定时器的10ms定时时间到，总线进行一次总线检测。当接收到总线切换指令，通信单元进行总线切换，并更新总线状态;进而判断是否接受到传感器的1553B总线应答信号，如果有，将总线故障计数清零，倘若没有，将故障计数加1，当故障计数大于6，进行总线切换，并更新总线状态。
4、总线网络通信测试与结果分析
(1)FlexRay总线测试结果将FlexRay通信周期设置为5ms，静态时隙长度为50μs，将CPU板卡与1553B板卡进行通信实验，从总线上读出输出波形。FlexRay总线通信时，在总线上截取的波形如图7所示，从图中可以看出通信周期为5ms，与预设值一致。如图8所示为一个周期时隙输出波形，时隙2、7、15传输传感器数据。由图8可知，时隙2与时隙7相差250μs，时隙7与时隙15相差350μs，与预设值一致。FlexRay总线通信6小时，进而进行连续总线数据传输测试，经过6个小时的总线测试结果如表5所示，通信过程中，丢帧、错帧计数均为0，表明1553B通信单元FlexRay总线设计正确，可以满足飞行控制计算机通信的基本要求。(2)1553B总线测试结果由前面可知，1553B数据通信周期为10ms，即100Hz。如图9～12分别为1553B通信单元与CPU单元模拟大气数据机传感器数据帧发送数据8字节，进行通信2小时、4小时、6小时、10小时的通信仿真图。其通信帧数分别为719999，1439998，2160023，3599991。期间在2小时～4小时，4小时～6小时，6小时～10小时通信期间，丢帧数分别为1，1，0，合计丢帧率约为5.56×10－7，符合飞行控制计算机通信要求。(3)测试结论以上实验结果表明，1553B通信单元的各个模块通信正常，与飞行控制计算机CPU板卡通信正常，能够符合飞行控制计算机的通信要求。
5、结束语
本文设计的基于以太网的超声检测多轴运动控制系统是在复杂的多轴运动控制技术之上结合了远程通信技术，以此来实现超声检测的远程自动控制。此系统主要由上位机、多轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行装置、限位开关和超声探头等组成，其组成框图如图1所示。由上位机LabVIEW控制系统为多轴运动控制器发送运动指令，并由多轴运动控制器将运动信号拆分为步进信号和方向信号，再将这两种电机控制信号发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将其转化为角位移发送给步进电机，使步进电机转动相应个步距角，以达到使步进电机按指令运动的目的。步进电机上安装有机械执行装置，用以固定超声探头，机械执行装置上安有限位开关，以此控制电机的运动范围，当电机运动到限位开关的位置时，限位开关发出限位信号到多轴运动控制器，运动控制器便停止发出使电机运动的脉冲信号。在进行自动超声检测时，Z轴方向机械执行机构上固定的超声检测探头能够在被检测物体的表面按照上位机运动控制算法设计的运动轨迹进行连续检测，并实时向PC机返回探头的位置信息，并将数据采集卡采集的超声信号与探头返回的位置信息建立起对应关系，最终通过上位机的图像处理系统形成超声检测图像，以此来实现物体的超声检测。
2多轴运动控制器的方案设计
多轴运动控制器可以通过远程以太网通信的方式接收上位机的控制信号，向步进电机驱动器发送脉冲信号和方向信号以完成对电机的运动控制。采用ARM9处理器S3C2440搭建硬件平台，配有DM9000A以太网通信芯片使硬件平台具备远程通信的功能。在Linux操作平台上进行控制系统软件功能设计，并采用UDP通信协议实现上位机与运动控制器之间的远程通信［3］。
2．1多轴运动控制器硬件电路设计
本文采用ARM9处理器S3C2440设计了系统中运动控制器的硬件电路部分，并采用DM9000A网络接口控制器设计了运动控制器的以太网接口。运动控制器硬件整体框图如图2所示。运动控制器选用ARM9处理器作为运动控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系统，在操作系统之上实现运动控制器的插补等多轴运动控制算法。选用DM9000A以太网控制芯片实现上位机LabVIEW与运动控制器之间的远程通信，进而实现超声检测的远程自动控制。为了解决步进电机驱动器与主控芯片信号匹配的问题，本文采用光耦器件设计了电压转换模块，负责把主控芯片输出的3．3V电压信号转换至5V电压信号后输入到步进电机驱动器中，同时负责把限位开关发出的24V限位信号转换至3．3V输入到主控芯片中。此外，电路中还搭载了用于存储数据的扩展存储器、以及用于调试的JTAG接口电路和RS232串口电路。
2．2多轴运动控制器软件设计
本课题所用的限位开关为位置可调的限位开关，每个轴有2个限位开关，在每次超声检测前，把每个限位开关调节到被测工件的边缘处，从而使探头移动的范围即为工件所在范围。故此设计运动控制器的软件时便可将限位开关做为边界条件，以此来设计探头的运动范围。其运动控制流程:首先系统初始化，通过上微机控制界面人工控制探头到被测工件的起点，然后X轴正向运动到X轴限位开关处，Y轴正向运动一个探头直径的长度，X轴再反向运动到X轴另一侧的限位开关处，之后Y轴继续正向运动一个探头直径的长度，如此往复运动直至探头到达Y轴的限位开关处，检测结束，探头复位。运动控制软件流程图如图3所示。
3多轴运动控制系统上位机软件设计
基于以太网的自动超声检测多轴运动控制系统的上位机软件是以LabVIEW开发平台为基础，使用图形G语言进行编写的，主要包括多轴运动控制软件和以太网通信软件。Lab-VIEW是一款上位机软件，其主要应用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域，具有良好的人机交互界面［4］。LabVIEW软件中有专门的UDP通信函数提供给用户使用，用户无需过多考虑网络的底层实现，就可以直接调用UDP模块中已经的VI来完成通信软件的编写，因此编程者不必了解UDP的细节，而采用较少的代码就可以完成通信任务，以便快速的编写出具有远程通信功能的上位机控制软件［5］。上位机LabVIEW软件的远程通信模块、运动控制模块以及数据处理模块相互协调配合，共同构成了超声检测多轴运动控制系统的上位机软件。
3．1运动控制软件设计
运动控制系统软件部分主要由运动方式选择、探头位置坐标、运动控制等模块组成，可完成对系统运动方式的选择，运动参数、控制指令的设定以及探头位置信息读取等工作。运动方式选择模块可根据实际需要完成相对运动或是绝对运动两种运动方式的选择，并会依照选择的既定运动模式将X、Y、Z三轴的相应运动位置坐标输出在相应显示栏中，以便进行进一步的参数核对以及设定;运动控制模块可依照检测规则实现对整个系统运动过程的控制，包括:设定相对原点、运行、复位、以及退出等相关操作。相对原点设定可以将探头任意当前位置设为新的原点，并以原点作为下一个运动的起始点，即为探头位置坐标的相对零点，并将此刻相对原点的绝对位置坐标值在文本框中显示出来。运动控制系统软件流程图如图4所示。
3．2以太网通信软件设计
以太网通信模块采用无连接的UDP通信协议，通过定义多轴运动控制器与上位机LabVIEW的以太网通信协议，实现下位机与上位机之间的远程通信。具体设计如下:首先使用“UDPOpenConnection”打开UDP链接，使用“UDPWrite”节点向服务器端相应的端口发送命令信息，然后使用“UDPRead”节点读取服务器端发送来的有效回波数据，用于后期处理，最后应用“UDPCloseConnection”节点关闭连接［6］。以太网通信模块的程序框图如图5所示。
4实验及结果
实验平台由步进电机及其驱动器、上位机控制软件和自主研发的多轴运动控制器构成。在上位机的用户控制界面中，首先输入以太网的IP地址并选择运动方式，然后根据用户的检测需求设定运动速度和运动距离，点击运行后探头即按所设定运行。探头运动过程中还可以选择设定当前位置为原点，探头即按照新的原点重新开始运动。同时，在探头运动时会实时显示探头当前所在位置坐标。模拟开关发送选通超声探头信号并发送脉冲信号激励超声探头发射超声波，FPGA控制A/D转换电路对超声回波信号进行转换，并将数据存入双口RAM，存储完成后向ARM发送信号，ARM接收到采集完成信号将数据通过以太网向上位机发送。上位机的LabVIEW用户控制界面如图6所示。
5结束语
系统上电后，风门处于关闭状态，系统周期检测传感器信号，人车运动过程中会触发微波传感器输出信号，系统则根据传感器信号执行开关风门和风门互锁。人车接近风门时，两侧风门的微波传感器检测到有效运动速度信号，首先进行信号竞争，根据竞争结果开启某一风门。2个风门入口信号4选1采取竞争方法进行选择，即微波移动传感器输出信号A1、A4、B1、B4处于竞争状态，一个检测周期内，只有一个信号有效。2个风门各2个方向。
（2）控制策略
控制系统风门互锁的控制要求并不复杂，关键是有效判断风门区域人员车辆的状态，并根据状态进行开闭风门。人员在巷道内行进过程是随意的，系统需要根据人员在微波传感器检测区域内的最终状态，对人员行进完成状态估计。如图3所示，根据人员的位置和传感器有效信号可以把人员行进的状态和风门控制策略分成9种，如表1所示。风门控制策略是控制系统的核心，策略制定的优劣直接影响着风门控制的可靠性。表1中根据人员行进的最终位置分为不同的状态估计，结合定时器对人员状态进行状态估计和制定控制策略。
（3）实现方法
有限状态机（FSM）理论是本风门自动控制系统状态转换和控制策略的理论基础。FSM包含有限的状态，但在任一给定时刻必须而且只能处于其中的一个状态，系统的状态变化受事件的驱动，事件是系统的活动或外部输入信号，它受当前状态约束。因此，研究有限状态机的关键就是在其状态空间中找到状态转换的轨迹，这要求在每个状态下全面分析驱动状态转换的事件（包括系统的活动和输入信号）和转换的目的地（即转换后的状态）。每个状态都有其特定的输出（系统的各项功能和性能指标），即系统状态转换伴随着系统的性能指标随时间的变化。风门自动控制系统的动态特性就是通过状态转换表现出来，巷道风门检测区域内人员行进过程中的每个有效位置都相当于一个状态，在任何时刻风门只能处于一个工况状态，工况间的转换受传感器信号即事件的驱动。当传感器信号满足进入某一工况的条件时，风门立即进入该工况下运行，一旦外部事件不受该工况下条件的约束时，风门立即离开该工况寻找另一个工况。每个风门区域可以作为一个对象，该对象有微波传感器和定时器属性，属性取值为开或关。2个操作开门和关门。根据人车通行过程和风门对象属性值的不同组合，可以把工作流程划分为5个状态:初始态，状态1，状态2，状态3，状态4。用统一建模语言中的状态机视图表达，如图4所示。图门状态转移示意图该视图中对不同区域设置不同传感器配合定时器对人车运动状态进行分类。从初始状态开始，当人车运动速度满足最低传感器1阈值接近区域入口时，风门开启，进入状态1，此时开启定时器1；若在定时时间到后区域检测不到信号则判断为人车退出风门区域，返回初始状态；若传感器2信号有效则进入状态2，同时开启定时器2，此时判断人车进入风门，人车的行走不会影响状态的改变，直到传感器3信号有效。状态2和状态3的人员已经进入风门，系统处于等待人车通过风门区域。传感器4有效时进入状态4，此时人车前端已经通过风门，系统等待其他部分通过风门区域。此时如果传感器没有信号则进行短暂延时后关闭风门。下一步就是根据状态机视图为PLC编写梯形图程序了。程序中使用了置位指令SET和复位指令RSET进行状态的切换，有些型号的PLC没有提供置位和复位指令，但都有实现置位和复位指令功能的变通方法，可以根据常开常闭寄存器切换，因此利用该状态机视图编程序具有很好的通用性。
（4）结语
车速传感器可以发出一定占空比的方波信号，设计采用单片机的脉冲模块来捕捉可以用来测量信号的周期。车速采集的程序流程如图2所示。步进电机的转动不但代表汽车的行驶速度，还代表节气门的开度，每转动一定角度就相当于节气门的开度。因此，当输入的实际车速A等于目标车速B时，步进电机将不转动；当输入的实际车速A大于目标车速B时，步进电机会反转，减小节气门开度，从而使实际车速降低至目标车速；当输入的实际车速A小于目标车速B时，步进电机会正转，加大节气门开度，使实际车速升高至目标车速，汽车进入定速巡航控制。
2软件可靠性措施
为了提高软件系统的稳定性和可靠性，采取以下措施：（1）封锁。实际系统中最强的干扰来自自身，如被控的负载电机的通断、状态的变化等，在设计软件时应适当采取措施避开这些干扰。如：当系统要断开或接通大功率负载时应暂停数据采集，等到干扰过去后再继续进行；在适当的地方封锁一些中断源；几个通道互相封锁。这些都是避免或减少干扰的有效方法。（2）程序的失控保护措施。在控制系统中，一般情况下干扰都不会造成计算机系统硬件损坏，但会对软件的运行环境造成不良影响。表现在：数据码和指令码的一些位受到干扰而出现跳变，使程序出现错误，最典型的是程序计数器发生跳变，可能把数据当作指令码。这种程序盲目执行的结果，一方面造成RAM存储器的数据破坏，另一方面可能会进入死循环，使整个系统失效。因此，应采取有效措施避免程序失控。
3Proteus仿真验证
3．1定速巡航控制系统总体仿真电路设计
设计中定速巡航控制系统的主要参数是车速值及节气门开度，因为进行实物测试有设备要求，设备比较复杂，而且测试结果不够直观，所以设计最终结果通过Proteus仿真来实现。仿真电路如图3所示。Proteus软件的元件库中拥有AT89C52单片机、ULN2003驱动芯片、步进电机等元件，可满足设计研究仿真需要。Proteus软件中的车速采集信号可通过改变脉冲而改变车速，电动机的转速可直观地显示出来，还可体现节气门开度的大小。
3．2试验结果与分析
在Proteus仿真平台上分别对4种情况进行仿真，即实际车速A等于目标车速B、实际车速A大于目标车速B、实际车速A小于目标车速B及实际车速大于120km／h、小于40km／h，仿真结果分别如图4～7所示。从图4～7可看出：当输入的实际车速A等于目标车速B时，步进电机不转动；当实际车速A大于目标车速B时，步进电动机反转，节气门开度减小；当实际车速A小于目标车速B时，步进电动机正转，节气门开度加大；当实际车速A超过120km／h、低于40km／h（即脉冲频率低于100Hz、高于999Hz）时，巡航控制系统会自动退出，步进电机不转动。表明所设计的软件能实现简单的巡航控制系统指令，满足预定要求。
4结语
软件的功能划分为4类：变电站管理、装置程序维护、在线浏览操作、一键归档分析功能。定义上位机调试软件为控制方向，装置侧服务器程序为监视方向。
1、1变电站管理
变电站管理功能按照不同电压等级、间隔名称，分层次多级目录管理若干装置。可新建、打开和关闭变电站工程；支持在人机界面中输入装置地址发起连接请求创建装置；支持装置重命名、排序、复制、粘帖和导入导出等操作。以层次树的资源管理器方式展示变电站结构。装置分离线和在线两种状态，离线模式下可进行数据分析、离线定值设置、主画面编辑等操作，在线模式下可进行程序维护、状态浏览、数据归档收集等操作。
1、2装置程序维护保护测控装置调试软件设计与实现上传配置文件、日志文件等文本。控制方下发需要上装的文件名，监视方打开文件，并分段上传数据，到达文件尾部后给出结束帧标记，控制方将数据存储到文件。上装是下载的反向过程。在程序运行调试过程中，往往需要通过调试相关变量进行状态诊断。在调试上位机程序时，可以使用IDE或gdb等进入调试状态，设置断点并查看变量值。嵌入式装置在运行状态下，监视相关变量时不能随意切换到调试状态，而是将调试变量作为一个实时响应的处理线程。通过调试变量协议，控制方下发需要调试的变量名，装置侧获取相关变量的地址信息和类型后，访问变量地址，读取数据，周期上送变量值，控制方显示实际值。调试变量的关键步骤是获取变量的地址，全局变量可以通过分析编译器形成的map文件获取，对于动态分配的内存，则需通过辅助手段实现。为此制定相关嵌入式程序编程规范，用结构体元件来封装各功能模块数据。元件结构体的内存是动态分配的，编译器在编译时没有为其分配静态地址，map文件里没有这些变量的地址信息。需要在装置启动阶段才能得到变量地址。对于动态分配内存的结构体变量，装置侧提供注册接口，可记录首地址。调试软件根据输入的元件结构体类型名、成员变量名、文件存放路径和CPU字节对齐等信息，对相关的文件进行词法分析和语法分析，进行宏表达式求值，计算出变量在结构体中的偏移量，并下发相对偏移信息。装置侧程序由结构体首地址＋变量的相对偏移地址得到变量的真正地址。调试人员只需输入层次实例名，不需手工计算变量地址，调试软件在计算相对地址时已考虑了各种CPU的字长对齐设置。调试变量的流程如图3所示。可通过查询内存的功能实现一次查看连续区域内存数据。控制方可下发查询起始绝对地址，监视方一次回复若干个字节的内存数据。也支持通过下发变量名的方式查询内存。
1、3在线浏览操作在线浏览的通信协议基于继电保护国际标准规约IEC60870－5－103协议［6］，可以实现不同厂家的设备、后台的交互通信，减少了私有协议转换过程，方便运行管理和维护。其协议结构如图4所示。类结构图如图5所示。在线浏览操作功能包括：装置模拟量开关量实时显示、装置定值整定和比较、可编程逻辑编辑和状态显示、事件查看、动作报告显示、波形文件上传和分析、HMI遥控模拟、信号复归等。通过在线浏览模块，可实时显示装置的状态数据、参看监视报文、分析跳闸逻辑、查看并设置定值、开关分合遥控等操作。其中涉及到遥控、定值整定、报告清除等关键操作，需要输入用户名和密码，进行权限校验。以定值设置整定为例，其报文交互流程如图6所示。
1、4一键归档分析通过一键归档操作，批量上装日志文件、配置文件等文件，自动截取装置当前的断面数据（包括装置模拟量、状态量、定值、报告、用于问题诊断的特定变量等内容），将各分立文件压缩存储为一个数据包。当现场运行的装置出现异常或跳闸动作时，通过一键归档，可自动打包相关数据，并以邮件方式发送到指定邮箱，装置研发人员可离线打开查看分析。
2软件风格设计
2、1基于软件管家模式由于软件功能复杂，采用了模块化设计思想，进行分层、分模块设计，以去除界面、数据、接口之间具体耦合，方便扩充。调试软件由引导主进程和按照功能划分的子进程组成。如图7所示，引导主进程是安装软件的启动程序，提供变电站资源管理器功能，在左侧树形区域点击装置节点时，会在右侧按照模块划分，分类显示相关功能。点击功能图标，传入形参，启动独立的子进程。通过组件化的设计思路，可确保增加一个新的模块时，不会影响已经稳定的模块。基于子进程的软件管家模式，也减少了人机界面的操作复杂度，用户在一个时间段内只需专注于单一图4在线浏览报文协议结构图5在线状态浏览类结构图图3调试变量流程图2《工业控制计算机》2014年第27卷第11期的功能，并可快捷地切换到另一个功能的操作界面。
2、2类浏览器界面风格当各个子进程启动后，为避免顶层窗体过多，采用类似Chrome的界面风格，用标签页管理子进程的界面。对各子进程的界面、颜色进行了统一设计，基于QT－CSS技术，设计了统一的界面风格库，并提供风格设置接口，可设置标签页QTabWid-get、层次树QListTreeWidget、停靠栏QDockWidget等控件的边框、缩进、标题、字体、颜色等内容。类浏览器的界面规范使不同人员开发的子进程在风格上高度统一。
3软件分层设计
除按照主进程－子进程的模块化设计外，单个通信子进程按照分层原则设计，共分为三层，最底层为数据收发层，中间层为数据处理层，最上层为展示层。如图8所示：图8软件分层结构数据收发层的功能是负责从装置接收报文并将数据处理层的报文发送到装置。针对不同类型的装置，该层需要支持串口通信、以太网链路层通信与以太网传输层通信三种通信方式。同时为了保证通信状态的可靠性，数据收发层还支持出错重传及超时重传机制。其中网络通信采用ACE中间件实现，串口通信采用Qt的QExtSearialPort实现。数据处理层是整个系统的主体部分，主要负责报文解析，报文生成，提供接口供展示层调用，实现了业务与操作接口的分离。展示层提供数据的展示与用户交互功能，不涉及具体的业务流程处理。针对不同的数据，展示层提供二维表格、层次树等不同的展示方式，采用Qt的Model－View模式，可高效快速显示刷新数据。展示层还提供个性化的右键菜单、按钮与工具栏。当用户点击某个菜单或按钮时，展示层会调用数据处理层的对应接口，对用户的操作进行处理。
4结果
实现与分析软件主界面如图9所示：左侧为资源管理器，用来管理变电站，变电站下支持新建多个装置。右侧为工作区，用来展示当前活动装置支持的功能。图9软件主界面点击工作区某个功能按钮，主进程将启动相应的子进程。以在线浏览功能为例，图10所示为装置报告查看界面。
5结束语
关键词：以太网；燃机模块；电子控制系统；软件设计
引言
随着燃气轮机在工业现场的广泛使用，对控制性能的要求越来越高，其控制系统也迅速从液压机械式控制器发展为模拟式电子控制系统,进而发展成数字电子控制系统。到20世纪90年代,燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。近年来，国外燃气轮机的数字电子控制系统已经实现了标准化、系列化，实现了模块化,并配置了菜单式的开发软件。模块化控制系统中通信总线是系统内部数据交换的桥梁，总线的可靠性是系统可靠性的保障，总线速度也直接影响到整个控制器的性能，因此必须选择实时、可靠的通信总线。MIL-STD-1553B、ARINC-429等传统的现场总线可靠性高、使用灵活，工程上已经得到了广泛应用，但却遭受速度瓶颈。工业实时以太网技术具有速度快、实时性好、可靠性高等特点，它的发展使工业控制在通用化、模块化、数据交换等方面都面临新的技术革命，特别适用于分布式控制系统设计。EtherCAT是由德国Beckhoff公司开发。采用以太网帧，以特定环状拓扑发送数据的技术，拥有杰出的通讯性能，接线简单，并对其它协议开放。
1.总体方案
1.1燃机模块式电子控制系统方案
系统的控制对象是某型舰用中档功率系列燃气轮机，控制系统采用开放性的模块结构。电子控制器采用标准化、系列化的模块设计，各模块间采用最新的工业实时以太网Ethercat连接，控制软件设计成可选择、可配置的标准模块和接口，液压执行机构设计成通用的模块化的部件和组件。这就使整个控制系统的设计变为功能模块的选择、匹配和调整——根据燃机控制系统的信号数量和接口类型选择合适的硬件模块，根据特定控制规律和控制系统要求选择、配置相应的软件模块，根据燃油和导叶的控制要求选择合适液压执行机构。采用的是成熟的模块使各模块功能、性能都有了保证，各部件仅需要进行部分调整就能满足要求，既缩短研发周期，又提高系统的可靠性，同时也便于今后实现性能改进和功能扩展。
1.2燃机控制系统组成
燃机控制系统包括综合电子控制柜、系统软件、液压执行机构、电气系统等。液压机械装置采用模块化设计方法，包括高压燃油泵、燃油计量装置、导叶调节装置等。各模块可根据具体燃机要求配合使用。电子硬件通用模块包括：电子控制器模块、独立保护模块。系统软件包含控制软件和应用软件。控制系统接收来自控制室或监控台的控制信号，对燃气轮机的起动、加速、减速、稳态工况运行以及停车和重要参数限制实施全面的自动控制和安全保护，能实现对燃机辅助系统的监测和控制，能实现对燃机的故障诊断和重要参数的记录、存贮和通讯。
2.控制软件设计
2.1电子控制器方案介绍
电子控制器由主CPU模块与AD模块、DA模块、FI模块、IO模块等低级模块组成，各模块自带CPU处理器，模块之间通过工业以太网连接，控制系统采用基于网络通讯技术模块化设计，控制器的各种功能模块之间用实时以太网进行连接，完成数据交互。各模块可以集中在一起也可以分散到燃机的各部分，通过工业总线实现实时信息交流和控制。
2.2控制软件分层设计
控制软件包含CPU模块的控制应用软件、其它通用模块底层软件组成。底层软件与模块一一对应。模块的底层软件主要是实现通用模块采集、输出或信息交互功能，并与其它模块通讯，传递和接受信息，实现控制系统功能。CPU模块的控制应用软件通过与底层软件，根据模块的特点进行功能的初始选择和配置。初步设计的控制软件层次结构如图1所示，该层次结构适用于主CPU模块与所有低级功能模块。由于低级功能模块的任务都比较简单，所以并无必要采用实时内核，主CPU模块也需根据实际情况决定采用传统的顺序结构还是基于实时内核的并行结构。同一功能的器件在驱动程序层向顶层提供一致的接口，在这一层次中需要制定对器件读、写、模式设置、中断、轮询等操作的驱动程序函数模版。整理电子控制器硬件设计中常用的接口器件资料，针对这些器件编写驱动程序并用数据库进行驱动程序模块的管理。
2.3控制软件模块化设计
控制软件采用模块设计，将燃机的主要控制过程、各种控制规律形成标准程序模块。模块划分可层层分解，步步细化，当针对具体燃机时只要选用合适的模块进行组合，并进行对参数设置连接就可形成控制程序。程序的框架设计要保证其可扩展性，根据燃机控制要求的变化，不断的增加先进控制规律、控制算法模块提高整个系统的性能。在对燃机控制系统的特点进行充分分析的基础后，建立对燃机控制软件的通用框架结构、模块划分准则与模块配置策略，通过更改模块配置信息、模块整体更换等方式灵活构建可靠的燃机控制软件。软件模块化按照由粗到细、由繁到简的指导方针，按步骤逐级细化，最终生成最基本的模块单元。根据燃机控制系统的功能，将控制软件划分为基本数值计算模块库、信号处理模块库、故障处理模块库、起动控制模块库、燃机运行控制模块库、停车控制模块库、辅助系统控制模块库、底层软件模块库、通讯协议模块库。模块一般采用标准C语言编写，与CPU相关的代码采用汇编语言编写，考虑到不同CPU的字长、对齐方式等特性，模块内部均采用自定数据类型，且可通过外部进行设置。
3.通讯软件设计
EtherCAT通讯程序包括网络收发模块、EtherCAT接口模块、EtherCAT设备模块、主站模块和从站模块。网络收发模块完成底层网络数据包的发送和接收功能。EtherCAT接口模块实现EtherCAT通讯程序与功能软件的接口功能。EtherCAT设备模块实现EtherCAT设备扫描和软件初始化工作。主站模块实现主站初始化命令和循环命令的发送处理，实现和维护主站的状态机。从站模块实现从站设备的配置，同时维护从站设备的状态机。
3.1Ethercat协议
EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接以太网帧传输就将派上用场。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口也相同。从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具。
3.2主站软件设计
EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，处理任务的同时，还可处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。
3.3从站软件设计
子站模块划分为A/D采样模块、频率量模块、LVDT及振动信号处理模块、热电阻信号处理模块、热电偶信号处理模块、压力信号处理模块、电流电压信号处理模块、开关量输入模块、开关量输入1模块、开关量输入2模块、开关量输出模块、模拟量输出模块1、模拟量输出模块2，备份槽。主程序通过不同的功能要求调用软件块。软件模块设计的基本原则是数据隐藏，即各模块内部数据私有，并提供外部接口访问这些私有数据，各模块之间相互独立，从而降低各模块之间的耦合程度。整个框架提供诸多配置接口，具有一定的通用性。子站模块实现的功能为DSP外设初始化；获取通道信息；获取开关量输入、拟量输入、频率量输入信号；输出开关量、PWM信号；FLASH存储器操作；定时器的启停、看门作等。
4.结束语
在国内航空发动机电子控制系统研制的技术积累基础上，开展基于网络通讯技术的燃机模块式电子器研究工作，研制具有自主知识产权的、具有国际先进水平的燃机模块式电子控制系统，不仅可以创造经济效益，而且能够打破燃机电子控制系统被国外公司垄断的局面，极大提高燃机市场的核心竞争力。
参考文献
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本文根据中小型油库发油系统控制管理发展现状,针对中小型油库发油系统 中所存在的问题,设计了中小型油库自动化发油系统,编写了上位机监控软 件和下位机 PLC 控制程序及管理软件。 在中小型油库发油系统的设计和开发中我主要完成了下面的工作:
(1)根据该项目设计的要求:对系统进行了总体设计。构建了以通用 PC 机 为上位机,可编程序控制器(S7-200PLC)为下位机的控制系统。
(2)控制软件编程:控制软件采用自适应设计,使系统的稳定性发挥到最佳 状态。采用提前量自整定的控制算法并编写了 PLC 程序,实现了提高了发油精 度的设计目标。
(3)组态软件设计:利用组态软件实现上位机对系统的组态控制。
由于时间有限,本课题难免存在一些不足,需在以后的研究中进一步完善。 后续工作应集中在以下几方面:
(1)本系统设计主要是针对中小型油库而设计的,总的发油鹤位小于十个, 如果油库的规模再大些,可以采用 S7-300PLC 作控制主站,S7-200PLC 通过 PROFIBUS 现场总线挂接在 S7-300 上作为控制从站,形成 PROFIBUS 现场总线 结构,系统的适应能力会更强大。
(2)为了加强系统的可靠性,如果条件允许,还可以增加双设备冗余或双 机热备功能。
(3)在原有控制程序的算法上加入人工智能方法(专家系统、模糊逻辑、神 经网络),实现智能控制,从而提高控制系统的性能。
6 技术经济分析
本文是针对中小型油库设计的。设计的对象是自动发油系统;设计的目的是在日益激烈的国际市场竞争面前,提高油库效率,加快周转,加强安全管理,减少人为差错,增强竟争力和提升企业形象。信息化、自动化、规范化是油库发展的必然趋势。
以PLC为控制器投资比较大。一台西门子S7-200的PLC加上扩展模块售价为5000元;油泵每台2500元以内;电动机每台2000元,总投资为23000元。它比DCS系统和以太网系统要贵一些,但是,它以良好的人机界面、发油的稳定性和兼容性为以后的维修和长时间的使用打下了基础,后期的维修费用大大降低了。
致谢
本论文是老师的悉心指导下完成的,在课题进展的全过程中,宋老师精心指导,严格要求,可以说自己每一步的前进都是与老师的指导分不开的。 宋老师学识渊博、治学严谨,具有丰富的实际科研项目经验。宋老师待人热情,从不以长者自居,他是学生的良师益友。总而言之,无论是在做学问还是在做人方面,宋老师为我树立了榜样,指明了方向。
本论文之所以能顺利完成,还要感谢同学们的热心帮助,我还要向自己的父母、亲戚和朋友表示感激,感谢他们的全力支持和鼓励。最后,我再一次向曾经支持和帮助过我的老师、同学表示衷心 的感谢!
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