何波玲
摘要:在飛行模擬器仿真、電站仿真等領(lǐng)域,會(huì)涉及對(duì)大量集群設(shè)備的控制。對(duì)設(shè)備進(jìn)行采樣、驅(qū)動(dòng)時(shí),系統(tǒng)布線成為重要工程問題,目前普遍采用AD轉(zhuǎn)換電路板、串口卡、現(xiàn)場(chǎng)總線CAN等方法,存在布線密集復(fù)雜、不易維護(hù)、傳輸速率不高、使用的協(xié)議不統(tǒng)一從而導(dǎo)致協(xié)議轉(zhuǎn)換難等不足。針對(duì)仿真系統(tǒng)設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn),探討了一種布線最少、易于開發(fā)維護(hù)、實(shí)時(shí)性高、兼容TCP/IP協(xié)議的控制傳輸方法,該方法也可應(yīng)用于工業(yè)控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)傳感采樣等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:仿真系統(tǒng);設(shè)備控制;TCP/IP協(xié)議
DOIDOI:10.11907/rjdk.161316
中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)文章編號(hào):16727800(2016)007016402
0引言
在飛行模擬器仿真、電站仿真等領(lǐng)域,會(huì)涉及對(duì)集聚在一起的大量設(shè)備的控制\[14\]。飛機(jī)座艙內(nèi)的大量設(shè)備彼此物理距離很近,對(duì)設(shè)備進(jìn)行采樣、驅(qū)動(dòng)時(shí),系統(tǒng)布線成為重要工程問題。目前主要有3種方法:一是使用AD轉(zhuǎn)換電路板,二是使用串口卡,三是使用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN。在設(shè)備數(shù)量少的情形下,可以使用AD轉(zhuǎn)換電路板,但當(dāng)設(shè)備數(shù)量較大時(shí),布線密集復(fù)雜,不便維護(hù);使用串口卡可使布線達(dá)到最少,但串口傳輸速率不高且需要分時(shí)控制,設(shè)備控制的實(shí)時(shí)性難以得到保障;使用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN可使布線達(dá)到最少,且控制可靠、實(shí)時(shí)性高,但其使用的協(xié)議與仿真系統(tǒng)其它主機(jī)使用的TCP/IP協(xié)議不兼容,需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。因此,探討一種可用于大量集群設(shè)備控制、布線最少、實(shí)時(shí)性高、兼容TCP/IP協(xié)議的控制傳輸方法,其可應(yīng)用于工業(yè)控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)傳感采樣等領(lǐng)域,尤其是仿真領(lǐng)域。
1CU現(xiàn)場(chǎng)與仿真現(xiàn)場(chǎng)
集群設(shè)備最少布線結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括CU(Control Units)現(xiàn)場(chǎng)和仿真現(xiàn)場(chǎng)兩部分,CU現(xiàn)場(chǎng)指被控制設(shè)備所在現(xiàn)場(chǎng),如飛行模擬器中位于六自由度平臺(tái)上的飛機(jī)座艙內(nèi)的全部設(shè)備。仿真現(xiàn)場(chǎng)指運(yùn)行仿真應(yīng)用程序的主機(jī)所在現(xiàn)場(chǎng)。通常,CU現(xiàn)場(chǎng)和仿真現(xiàn)場(chǎng)是物理分離的,二者距離沒有限制,一般工程應(yīng)用距離為100~500m之間。
CU現(xiàn)場(chǎng)包括若干控制單元CU(Control Unit)、若干以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB(Ether HUB)、若干CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB(PoWer HUB)、一個(gè)或多個(gè)CU電源轉(zhuǎn)接口和市電電源轉(zhuǎn)接口。
仿真現(xiàn)場(chǎng)包括運(yùn)行仿真應(yīng)用的若干仿真主機(jī)、為CU現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電的電源以及實(shí)現(xiàn)仿真現(xiàn)場(chǎng)仿真主機(jī)與CU現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的主干網(wǎng)絡(luò)。仿真主機(jī)上運(yùn)行的仿真應(yīng)用進(jìn)程使用來自CU現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備采樣信號(hào)并產(chǎn)生控制CU現(xiàn)場(chǎng)中設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào),仿真現(xiàn)場(chǎng)是CU現(xiàn)場(chǎng)的客戶。
2.1控制單元CU
控制單元CU包括受控的設(shè)備、施控的驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)行控制程序的單片機(jī)、進(jìn)行通信的嵌入式以太網(wǎng)控制器。
2.2控制單元CU間的連接設(shè)備
以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB為交流以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或直流以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB之間通過以太網(wǎng)線相連,使用市電供電。CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB為控制單元CU提供CU電源接入。
CU電源轉(zhuǎn)接口通過多路CU電源線PWLs(PoWer Lines)與CU電源相連,實(shí)現(xiàn)CU電源接入,通過多路CU電源線PWLs與CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB相連,多路CU電源線PWLs經(jīng)CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB轉(zhuǎn)接為單路CU電源線PWL,為控制單元CU供電。市電電源轉(zhuǎn)接口為以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB的供電電源提供轉(zhuǎn)接。
控制單元CU通過以太網(wǎng)線EL(Ether Line)與以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB相連,通過單路CU電源線PWL(PoWer Line)與CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB相連。當(dāng)以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB具有提供供電電源信號(hào)的功能,而且該電源信號(hào)滿足或經(jīng)電路變換后可以滿足控制單元CU的電源供電要求時(shí),可以采用以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB的電源信號(hào)替代單路CU電源線PWL為控制單元CU供電。
2.3布線優(yōu)化
為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)布線的易維護(hù)性,采用多類插口設(shè)計(jì),如圖2所示??刂茊卧狢U含插口E、插口F,通過插口E接入單路CU電源線PWL,通過插口F與以太網(wǎng)線EL相連;CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB含有含插口D以方便引出單路CU電源線PWL;還可以含有插口C以方便接入CU電源轉(zhuǎn)接口的多路CU電源線PWLs; CU電源轉(zhuǎn)接口含有插口A以方便接入CU電源,含有插口B以方便與CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB相接;市電電源轉(zhuǎn)接口含有插口G以方便市電供電線接入,含有插口H以方便220V,50Hz市電接入以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB。
2.4CU現(xiàn)場(chǎng)與仿真現(xiàn)場(chǎng)連接
集中控制機(jī)對(duì)控制單元CU進(jìn)行集中控制管理,它是配置有一個(gè)或幾個(gè)以太網(wǎng)控制器的商用PC機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或其它類型計(jì)算機(jī)。集中控制機(jī)與以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB通過以太網(wǎng)絡(luò)、采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,以下是兩種最佳構(gòu)建方式:①以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB直接通過以太網(wǎng)線與集中控制機(jī)的以太網(wǎng)控制器相連;②以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB和集中控制機(jī)通過以太網(wǎng)線與同一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)相連。
3控制及數(shù)據(jù)傳輸過程
參考圖2,設(shè)備控制及數(shù)據(jù)傳輸過程如下:
(1)每個(gè)控制單元CU對(duì)設(shè)備執(zhí)行采樣操作和/或驅(qū)動(dòng)操作。采樣操作過程是:?jiǎn)纹瑱C(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)設(shè)備進(jìn)行采樣獲取采樣值,以下稱局部采樣值,通過以太網(wǎng)控制器將局部采樣值發(fā)送給集中控制機(jī);驅(qū)動(dòng)操作過程是,通過以太網(wǎng)控制器接收集中控制機(jī)的驅(qū)動(dòng)值,以下稱局部驅(qū)動(dòng)值,根據(jù)局部驅(qū)動(dòng)值,通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
(2)集中控制機(jī)執(zhí)行采樣集中操作和/或驅(qū)動(dòng)分發(fā)操作。采樣集中操作過程是:通過以太網(wǎng)控制器接收各控制單元CU發(fā)來的局部采樣值,對(duì)各局部采樣值進(jìn)行集中,可獲取該集中控制機(jī)所控范圍內(nèi)的全部采樣值信息,以下稱集中采樣值;集中控制機(jī)獲取其所控范圍內(nèi)的全部驅(qū)動(dòng)值信息,以下稱集中驅(qū)動(dòng)值,依據(jù)集中驅(qū)動(dòng)值確定各控制單元CU的局部驅(qū)動(dòng)值,通過以太網(wǎng)控制器向各控制單元CU發(fā)送局部驅(qū)動(dòng)值;所述集中采樣值,通常經(jīng)過主網(wǎng)絡(luò)發(fā)往應(yīng)用主機(jī);集中驅(qū)動(dòng)值,通常經(jīng)過主網(wǎng)絡(luò),來自應(yīng)用主機(jī);主網(wǎng)絡(luò)通常為以太網(wǎng)絡(luò),也可以是反射內(nèi)存網(wǎng)其它工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、甚至是自主研發(fā)的非標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用主機(jī)是指使用采樣值和/或產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)值,通常完成特定領(lǐng)域應(yīng)用任務(wù)的計(jì)算機(jī)或設(shè)備。
4結(jié)語
本文介紹了一種可用于大量集群設(shè)備控制、布線最少、實(shí)時(shí)性高、兼容TCP/IP協(xié)議的控制傳輸方法,具有如下特點(diǎn):①控制單元CU的受控設(shè)備與施控的驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)、以太網(wǎng)控制器物理地綁定在一起,通過最多兩根連接線與外部相連,布線少,且易于拆卸,方便維護(hù);②控制單元CU與以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB、CU電源轉(zhuǎn)接器PW-HUB物理距離上可以很近,連接線可以較短;③以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB通過互連后,可以使用一根連接線與CU現(xiàn)場(chǎng)外部相連,布線少;④以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)E-HUB可以使用多根連接線與CU現(xiàn)場(chǎng)外部相連,提高數(shù)據(jù)傳輸速率;⑤可使用多臺(tái)集中控制機(jī)對(duì)CU現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制,滿足設(shè)備控制容量擴(kuò)充或進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率;⑥集中控制機(jī)或CU現(xiàn)場(chǎng)可通過以太網(wǎng)與外部進(jìn)行通信傳輸,傳輸距離遠(yuǎn),需要時(shí)可進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸;⑦控制單元CU的以太網(wǎng)控制器采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信,適用范圍廣;⑧當(dāng)控制單元CU的以太網(wǎng)控制器采用硬件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議時(shí),可使單片機(jī)程序開發(fā)極大地簡(jiǎn)化,并會(huì)
第7期 宮向陽:基于DPI技術(shù)的LTE_S1接口流量識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟 件 導(dǎo) 刊2016年標(biāo)題