鄒益民 徐 赤

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系1，甘肅 蘭州 730060;杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院2，浙江 杭州 310012)

0 引言

人們?cè)谠O(shè)計(jì)新的控制系統(tǒng)及控制算法的過程中，往往首先借助Matlab的Simulink工具箱完成建模和仿真，直至獲得滿意的仿真結(jié)果[1]。由于在此過程中，我們常常會(huì)忽略實(shí)際對(duì)象系統(tǒng)可能存在的部分?jǐn)_動(dòng)和噪聲，并對(duì)其數(shù)學(xué)模型作出某種假設(shè)和近似，因而造成仿真與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)好的控制器與實(shí)際被控對(duì)象相聯(lián)時(shí)，控制效果與仿真結(jié)果有較大出入。

Simulink提供實(shí)時(shí)仿真環(huán)境(real-time workshop，RTW)解決上述問題[2－4]。RTW 支持快速原型化及嵌入式目標(biāo)設(shè)計(jì)兩種類型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)建，但這兩類方法或需要專用的板卡，或需要專門設(shè)計(jì)的嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)用受到很大限制。本文探討了使用Simulink串行通信模塊以及高性價(jià)比的ADAM-4000模塊構(gòu)建簡易半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)施方案。

1 Simulink及串口通信模塊簡介

Simulink是MathWorks公司于1990年推出的產(chǎn)品，可用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。從Matlab6.0版本開始，MathWorks公司在軟件中增加了設(shè)備控制工具箱，提供了Simulink軟件環(huán)境與外界進(jìn)行串口通信的專用模塊庫[5]。該庫包括以下兩組串口通信模塊：To Instrument和Query Instrument模塊組以及 Serial Configuration、Serial Send和Serial Receive模塊組。前一組模塊除支持串口接口外，還支持GPIB、TCP/IP及USB等多種外部接口;后一組模塊專用于串口通信。

本方案使用后一組模塊實(shí)現(xiàn)串口通信，該組模塊的功能說明如下。

①Serial Configuration模塊用于配置串行口參數(shù)?？芍付ù谔?hào)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ降取?/p>

②Serial Send模塊用于向串口發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)?？芍付òl(fā)送數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)發(fā)送的前導(dǎo)及結(jié)束字符等。

③Serial Receive模塊用于通過串口獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。配置功能與Serial Send模塊相似。

2 ADAM-4000系列應(yīng)用模塊簡介

研華ADAM-4000是一種應(yīng)用廣泛、性價(jià)比高的智能接口模塊。該系列模塊均支持RS-485串行異步半雙工通信，通信協(xié)議除支持Advantech ASCII協(xié)議外，個(gè)別模塊還支持Modbus/遠(yuǎn)程終端單元協(xié)議(remote terminal unit，RTU)，從而確保其與任何計(jì)算機(jī)及工業(yè)控制系統(tǒng)均具有良好的兼容性[6]。

2.1 常用模擬量輸入輸出模塊簡介

ADAM模塊種類繁多，功能齊全，其中，ADAM-4018+和ADAM-4024兩模塊可方便地與常見的傳感器、變送器、執(zhí)行器等配合，為計(jì)算機(jī)控制提供現(xiàn)場接口。兩模塊功能簡述如下。

①ADAM-4018+模擬量輸入模塊：8路16位分辨率模擬量差分輸入模塊，支持各型熱電偶及±20 mA、4～20 mA電流輸入。

②ADAM-4024模擬量輸出模塊：4路12位分辨率模擬量輸出模塊，支持0～20 mA、4～20 mA、±10 V輸出。

上述兩模塊均支持Advantech ASCII和Modbus/RTU通信協(xié)議。

由于Modbus協(xié)議具有更高的傳輸速率、可靠性和通用性，故本方案選用其作為Simulink與ADAM模塊間的通信協(xié)議。

2.2 Modbus寄存器與信號(hào)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

使用Modbus協(xié)議通信時(shí)，通過讀寫指定的寄存器即可獲得模塊的輸入輸出信號(hào)值。依據(jù)模塊的采樣分辨率和信號(hào)范圍，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所述。

①ADAM-4018+模擬量輸入模塊

該模塊分辨率為16位，其輸入測量值大小可由式(1)計(jì)算：

式中：areg為Modbus模入寄存器的讀出值;L1、L0分別為被測信號(hào)的上、下限;d為計(jì)算所得的信號(hào)測量值。

如被測信號(hào)為4～20 mA電流，寄存器讀出值為29FDH，則對(duì)應(yīng)的電流測量值為：

②ADAM-4024模擬量輸出模塊

該模塊分辨率為12位，其輸出信號(hào)值大小可由式(2)計(jì)算：

式中：areg為Modbus模出寄存器的讀出值;L1、L0分別為輸出信號(hào)的上、下限;d為計(jì)算所得信號(hào)輸出值。

如輸出為0～20 mA電流，則6EFH對(duì)應(yīng)的電流輸出值為：

d=6EFH ×20/4 095=1 775×20/4 095=8.67 mA

2.3 ADAM-4000通信協(xié)議配置

將ADAM-4000模塊狀態(tài)撥至INIT狀態(tài)，并通過ADAM-4000-5000 Utility軟件，即可將通信協(xié)議設(shè)置為Advantech ASCII或 Modbus。

3 Modbus通信協(xié)議

3.1 Modbus協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議采用RS-485或RS-232作為其物理層，數(shù)據(jù)通信基于主-從技術(shù)，僅主設(shè)備能初始化傳輸，而從設(shè)備則只能對(duì)主設(shè)備查詢請(qǐng)求作出響應(yīng)[7－8]。Modbus協(xié)議的傳輸模式又可細(xì)分為ASCII和遠(yuǎn)程終端單元(RTU)兩種模式。

①ASCII模式：消息中的每個(gè)字節(jié)(8 bit)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1 s而不產(chǎn)生錯(cuò)誤，適用于慢速網(wǎng)絡(luò)。

②RTU模式：消息中的每個(gè)字節(jié)(8 bit)包含兩個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率較高。本方案即采用這種傳輸模式。

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕琈odbus提供了多種錯(cuò)誤校驗(yàn)方法。奇偶校驗(yàn)可作用于每個(gè)字符;幀校驗(yàn)縱向冗余碼(longitudinal redundancy check，LRC)和循環(huán)冗余碼(cyclic redundancy check，CRC)則作用于整個(gè)消息幀，分別適用于ASCII和RTU傳輸模式。

3.2 Modbus功能碼實(shí)例

3.2.1 讀取模入狀態(tài)(功能碼04)

本功能可使主站獲得從站的模擬量輸入值。主站命令幀中可指定從哪一個(gè)模擬量開始，連續(xù)讀取多少模擬量(每路模擬量包含2個(gè)字節(jié)，高位在前、低位在后)。從站應(yīng)答幀中的數(shù)據(jù)是按上述要求讀取的模擬量數(shù)據(jù)。

以下為讀取17號(hào)節(jié)點(diǎn)模入點(diǎn)0108～0110的數(shù)值示例，各模入點(diǎn)讀出值分別為555(022BH)、0及100(0064H)。

①查詢RTU幀

讀取模入狀態(tài)的查詢RTU幀格式如圖1所示。

圖1 讀模入狀態(tài)的查詢RTU幀F(xiàn)ig.1 RTU query frame of reading analog inputs

②應(yīng)答RTU幀

讀取模入狀態(tài)的應(yīng)答RTU幀格式如圖2所示。

圖2 讀模入狀態(tài)的應(yīng)答RTU幀F(xiàn)ig.2 RTU response frame of reading analog inputs

3.2.2 強(qiáng)制單路模出(功能碼06)

本功能可使主站設(shè)定從站某路模擬量輸出的值。主站命令幀中可指定將哪一路模擬量輸出值修改為預(yù)定值。從站正常應(yīng)答是將報(bào)文原文發(fā)回。以下為強(qiáng)制17號(hào)從站模出點(diǎn)136為039EH的示例，給出了強(qiáng)制模出狀態(tài)的查詢、應(yīng)答RTU幀格式。

①查詢RTU幀

強(qiáng)制模出狀態(tài)的查詢RTU幀格式如圖3所示。

圖3 強(qiáng)制模出狀態(tài)的查詢RTU幀F(xiàn)ig.3 RTU query frame of enforcing analog output

②應(yīng)答RTU幀

強(qiáng)制模出狀態(tài)的應(yīng)答RTU幀格式如圖4所示。

圖4 強(qiáng)制模出狀態(tài)的應(yīng)答RTU幀F(xiàn)ig.4 RTU response frame of enforcing analog output

4 方案實(shí)施

4.1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)框圖如圖5所示。其中，虛線框中部分由Simulink軟件實(shí)現(xiàn)所需的控制算法及與ADAM模塊的RS-485通信功能;ADAM-4018+用于獲取測量變送器給出的4～20 mA電流信號(hào)，并通過RS-485接口發(fā)送至Simulink軟件(Modbus總線地址為2，讀模入功能碼為04);Simulink軟件通過RS-485接口給出控制輸出信號(hào)(Modbus總線地址為3，強(qiáng)制單路輸出功能碼為06)，再經(jīng)ADAM-4024轉(zhuǎn)換為0～20 mA輸出電流，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終達(dá)到對(duì)被控對(duì)象的控制目標(biāo)。

圖5 仿真系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Composition of the simulation system

Simulink功能模塊連接圖如圖6所示。

圖6 Simulink功能模塊連接圖Fig.6 Connections of Simulink functional modules

由ADAM-4018+給出的測量信號(hào)，經(jīng)Simulink中的串口接收模塊接收后，通過自定義的“接收響應(yīng)串分析處理函數(shù)”，獲得被控參數(shù)的測量值。該測量值經(jīng)PID模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理后，轉(zhuǎn)換為4～20 mA輸出值。該輸出值再經(jīng)自定義的“發(fā)送命令串生成函數(shù)”，由Simulink中的串口發(fā)送模塊發(fā)送至ADAM-4024模塊，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖6中的串口組態(tài)模塊用于完成串行口配置。在此，串行口為COM1，波特率為9 600 bit/s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)。

4.2 Modbus數(shù)據(jù)編解碼嵌入式函數(shù)說明

Simulink可使用內(nèi)置于Matlab/Simulink中的豐富的各類功能模塊，也允許用戶使用嵌入式函數(shù)或是S函數(shù)創(chuàng)建用戶自定義模塊[9]。其中，嵌入式函數(shù)與Matlab的M-函數(shù)語法結(jié)構(gòu)非常相似，方便熟悉Matlab的使用者掌握與應(yīng)用。而S函數(shù)則是一種具有特殊調(diào)用格式的 Matlab函數(shù)，可通過 Matlab、C、C++、Fortran等語言編寫，功能強(qiáng)大，但使用也更加復(fù)雜。本方案借助嵌入式函數(shù)，實(shí)現(xiàn)如圖6所示的“發(fā)送命令串生成函數(shù)”和“接收響應(yīng)串分析處理函數(shù)”功能模塊。

4.2.1 CRC-16 循環(huán)冗余碼計(jì)算

計(jì)算CRC-16碼的功能可由查表法快速完成[10]，因篇幅所限，此處略去。

4.2.2 發(fā)送命令串產(chǎn)生

以下程序用于產(chǎn)生發(fā)送命令串，實(shí)現(xiàn)ADAM-4024模出值修改和ADAM-4018+模入值讀取功能。

4.2.3 響應(yīng)串接收

由于ADAM-4018+與ADAM-2024響應(yīng)串的長度不同，分別為7 B與8 B，故程序中使用內(nèi)部緩沖區(qū)組合響應(yīng)串并進(jìn)行甄別及判讀。本部分程序框圖如圖7所示。

圖7 響應(yīng)串處理程序框圖Fig.7 Processing program of the response string

讀ADAM-4024通道0模出值的程序如下。

5 結(jié)束語

由于Simulink的純數(shù)字仿真往往難以精確模擬真實(shí)的控制對(duì)象，本文給出了一種使用ADAM-4000模塊構(gòu)成現(xiàn)場接口的簡易半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)及其詳細(xì)硬軟件實(shí)現(xiàn)方案。通過簡單的PID仿真實(shí)例表明，本文所述方法將控制算法應(yīng)用于實(shí)際的被控對(duì)象，可獲得更真實(shí)的控制效果。

借助本文提出的方法可有效縮短控制系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)的研發(fā)周期，滿足控制器設(shè)計(jì)靈活性和快速性的需要，為高級(jí)控制算法的研究和驗(yàn)證提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

[1]魏克新，工石亮，陳志敏，等.MATLAB語言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]徐國政，陳勇.基于Matlab/xPC Target的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005(1)：63 －64.

[3]李根，唐臻宇，耿海翔，等.基于Matlab/RTW的控制系統(tǒng)一體化新型設(shè)計(jì)方法[J].中國測試，2010，36(1)：75 －77.

[4]齊振恒，孫中杰，李濤.RTW嵌入式代碼自動(dòng)生成機(jī)制與代碼結(jié)構(gòu)分析[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(3)：639 －642.

[5]趙云鵬.MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(1)：111 －112.

[6]李梅，段晨東，韓旻，等.基于ADAM模塊的恒溫恒濕空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(2)：74－75.

[7]封亞斌.采用串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)Modbus數(shù)據(jù)通信[J].自動(dòng)化儀表，2004，25(10)：56 －58.

[8]汪義旺，崔鳴，祁春清.RS-485/Modbus在FFU控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2010，31(6)：39 －41，44.

[9]陳永春.從Matlab/Simulink模型到代碼實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[10]孟開元.Modbus通信協(xié)議中CRC校驗(yàn)的快速C語言算法[J].福建電腦，2004(11)：63 －64.