張高明,李維波,華逸飛,范磊,許智豪,徐聰
武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院,湖北武漢430070
隨著現(xiàn)代艦船技術(shù)的迅猛發(fā)展,艦船電力系統(tǒng)作為整個船舶的核心,為其提供行駛動力和工作電力,但傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信方式已經(jīng)無法滿足日益增長的信息交換需求。針對這種情況,可將成熟的以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于艦船動力信息系統(tǒng)中,設(shè)計船舶內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò),提升艦船內(nèi)部信息交換的效率和可靠性[1]。而電力系統(tǒng)內(nèi)部總線承擔著重要數(shù)據(jù)和命令的傳輸任務(wù),擁有一種可靠、實時、高容錯的通信總線對于艦船能量管理系統(tǒng)至關(guān)重要[2]。因此,通信的穩(wěn)定性越來越被看重,而電力推進艦船在航行過程中會受到風、浪、流等多種隨機不確定因素的干擾,可見對通信故障情況的處理至關(guān)重要[3]。
因為需要對相關(guān)電壓、電流、功率等參數(shù)進行測試,計算機與受控設(shè)備之間的通信信息常會發(fā)生無法預(yù)測的錯誤[4],艦船數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜多變,由于傳輸距離、現(xiàn)場狀況等諸多因素的影響,可能會導(dǎo)致傳輸通道中斷,比如網(wǎng)絡(luò)堵塞、網(wǎng)線斷開、網(wǎng)絡(luò)接口連接器松動、網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路故障等,造成網(wǎng)絡(luò)實時性和可靠性降低,甚至不能正常工作。但系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求卻越來越高,除了滿足正常的數(shù)據(jù)通信之外,還要求網(wǎng)絡(luò)有較高的容錯率,需要提高系統(tǒng)與外界通信的可靠性[5]。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗和兼容性好等優(yōu)點,并支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用總線拓撲結(jié)構(gòu),如果局部網(wǎng)絡(luò)故障,可能會造成大范圍的網(wǎng)絡(luò)癱瘓,而工程應(yīng)用中要求網(wǎng)絡(luò)具有零恢復(fù)故障時間[6],希望通過在冗余模式下收發(fā)重要的數(shù)據(jù)來避免因故障而引起數(shù)據(jù)丟失。
W5200是一款硬件TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制器,ARM處理器通過SPI接口可以實現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。在嵌入式領(lǐng)域,一般以太網(wǎng)設(shè)計實現(xiàn)方法相對復(fù)雜,其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由芯片硬件實現(xiàn),其他層由軟件實現(xiàn),因CPU中RAM空間有限,這對于移植相關(guān)協(xié)議棧有很大的限制[7]。
通信系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)較為多元化,最初微控制器(MCU)在艦船上廣泛應(yīng)用時,多利用CAN,RS-422/485等來將多個MCU系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)MCU之間的信息交流和共享,這種局域網(wǎng)絡(luò)有很大的優(yōu)勢,但也存在著透明傳輸?shù)目煽啃缘汀⑼ㄐ判实秃蛡鬏斁嚯x短等弊端。隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展,將嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò),利用全艦的網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)艦船信息化是一種發(fā)展趨勢?,F(xiàn)在多用以太網(wǎng)技術(shù)將串口設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集延伸到Internet上的各個終端,以方便地進行數(shù)據(jù)采集和儀器控制。
為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,以太網(wǎng)通信冗余技術(shù)已普遍運行于艦船通信系統(tǒng),因此本文擬闡述將以太網(wǎng)雙冗余通信運用于艦船能量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性實現(xiàn)。以某型艦船能量管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)為背景,對艦船各能量模塊的數(shù)據(jù)進行實時采集,監(jiān)控將模塊的工作狀態(tài)、溫度、告警狀態(tài)等傳輸給上位機的過程。鑒于以太網(wǎng)通信傳輸速率高,本文將構(gòu)建基于W5200以太網(wǎng)芯片的雙冗余以太網(wǎng)設(shè)計,利用W5200控制器的優(yōu)點,提高通信的便捷性,進而實現(xiàn)雙冗余以太網(wǎng)冗余切換方案,即設(shè)計兩路獨立的以太網(wǎng)外圍電路,通過軟件實現(xiàn)冗余切換功能,即一路故障或線路受損時,自動切換另一路以保證系統(tǒng)與外界設(shè)備通信時數(shù)據(jù)的可靠性。
目前,比較常用的冗余方式有并聯(lián)冗余和旁聯(lián)冗余。
1)并聯(lián)冗余。
系統(tǒng)工作時,只有在所有并行工作的部件都發(fā)生故障時,系統(tǒng)才會出現(xiàn)故障。可靠性數(shù)學(xué)模型如式(1)所示:
式中:RS為系統(tǒng)的可靠度;n為組成系統(tǒng)的部件數(shù),假設(shè)n個部件的可靠度均為R0。分析式(1)可知,在采用高可靠性的部件時,根據(jù)實際需求確定部件數(shù)目,可以使并聯(lián)的冗余可靠性更高。
2)旁聯(lián)冗余。
系統(tǒng)工作時,當只有一個組成部件故障時,檢測與轉(zhuǎn)換裝置會轉(zhuǎn)換至另一個冗余部件繼續(xù)工作,只有在所有部件都故障時系統(tǒng)才會故障,數(shù)學(xué)模型為
式中:R1為工作單元的可靠度;R1,…,Rn為備份部件的可靠度;Rw為故障檢測及轉(zhuǎn)換裝置的可靠度。分析式(2)可知,故障檢測與轉(zhuǎn)換裝置的可靠性要求很高,旁聯(lián)冗余性能與并聯(lián)冗余性能較為相似,但旁聯(lián)冗余可靠性對檢查與轉(zhuǎn)換裝置的硬件有要求,且切換備件是冷啟動,不滿足實時性要求,因此,此艦船能量管理通信系統(tǒng)選擇并聯(lián)的冗余方式:對于需重點采集的部分,會采用2套采集底箱,同時對數(shù)據(jù)進行采集并通信至上位機,這樣能夠保證重要數(shù)據(jù)不會丟失。
每個底箱的雙冗余通信系統(tǒng)利用軟件實現(xiàn)切換,此冗余設(shè)計概述為:將兩路以太網(wǎng)連接于不同的IP地址,兩路以太網(wǎng)用于采集同一設(shè)備數(shù)據(jù),在正常工作時,一路以太網(wǎng)與上位機正常連接并傳送數(shù)據(jù),另一路以太網(wǎng)連接但不通信且處于熱備份狀態(tài)。熱備份指的是兩路以太網(wǎng)都處于正常連接狀態(tài),一路以太網(wǎng)作為工作通信,另一路以太網(wǎng)作為備用通信,只連接而不通信數(shù)據(jù),當工作以太網(wǎng)通信出現(xiàn)故障后,備用的一路立即開放數(shù)據(jù)通信。
本文將從硬件和軟件2個方面對冗余通信進行介紹。硬件方面主要從系統(tǒng)各個組成部分及其對可靠性的提高上進行介紹;軟件方面主要從W5200驅(qū)動初始化實現(xiàn)以及冗余切換策略上進行介紹。
為實現(xiàn)艦船能量管理系統(tǒng),設(shè)計了能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng),該系統(tǒng)的基本工作架構(gòu)為:通過多個底層采集箱(以圖1中的4個為范例)實時采集外部傳感器測量的氣溫、電流、濕度、電壓和功率等重要參數(shù),再將采集的原始測量數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信發(fā)送給上級系統(tǒng)服務(wù)器(即集控臺),控制箱通過采集的數(shù)據(jù)對輸出功率和負載功率進行處理控制,再由數(shù)據(jù)了解艦船航行各個部件的實時情況,并根據(jù)需求進行調(diào)整控制,以保證設(shè)備運行在安全狀態(tài)。系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。
該架構(gòu)每個底箱與集控箱之間的通信為雙路以太網(wǎng),兩路硬件上采用一樣的電路設(shè)計并相互獨立,每一路以太網(wǎng)通信為了避免受干擾采取了2次隔離防干擾處理,可以從根本上提高以太網(wǎng)的可靠度。在硬件上實現(xiàn)了雙路以太網(wǎng)冗余,其中一路為另一路的熱備份工作狀態(tài)。下面,分別對各部分冗余結(jié)構(gòu)進行詳細分析。
現(xiàn)對底箱架構(gòu)進行原理分析。硬件整體設(shè)計的實時采集和傳輸系統(tǒng)的控制器選用ARM處理器,基于網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5200,實現(xiàn)雙冗余以太網(wǎng)通信系統(tǒng)方案。選用ARM Cortex-M4內(nèi)核的微控制器STM32系列的配置包括Flash:1 024 KB,SRAM:192 KB,3個12位ADC,2個DAC,1個低功耗RTC,12個通用16位定時器,支持全雙工的3線 SPI模式(SCK,MISO,MOSI)。用此高性能ARM處理器達到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和控制,系統(tǒng)框架如圖2所示。
因為該系統(tǒng)建立在ARM嵌入式基礎(chǔ)上,所以該系統(tǒng)通過編制所需的驅(qū)動程序,便可以完成對外部傳感器數(shù)據(jù)的實時采集和控制輸出,以達到對外部傳感器的控制。同時,驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5200用于網(wǎng)絡(luò)通信,建立TCP/IP協(xié)議的雙冗余網(wǎng)絡(luò)通信,通過CAN1通信傳輸數(shù)據(jù)并顯示于顯示屏上。
此雙冗余以太網(wǎng)系統(tǒng)在通信工作時設(shè)置其中一條通道為工作通道,既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù);另一條通道作為備用通道,僅能接收數(shù)據(jù)。工作中,CPU處理器實時監(jiān)測通道狀態(tài),發(fā)現(xiàn)工作通道出現(xiàn)故障時,將備用通道切換為工作通道[8]。
以太網(wǎng)控制芯片W5200內(nèi)部有32 KB的存儲器用于通信數(shù)據(jù)的存儲。使用以太網(wǎng)芯片W5200通過簡單的端口編程,用戶可以實現(xiàn)想要的以太網(wǎng)通信的應(yīng)用,而不必處理復(fù)雜的以太網(wǎng)控制。W5200非常適合通過單芯片實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧、10/100 Mb以太網(wǎng)MAC和PHY。W5200包含一個經(jīng)過多年市場驗證的硬件TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)的MAC和PHY。硬件TCP/IP協(xié)議支持TCP,UDP,IPv4,ICMP,ARP,IGMP和PPPoE,這些協(xié)議在各種應(yīng)用領(lǐng)域已得到多年的驗證。
這里W5200只提供SPI接口與CPU連接。以太網(wǎng)控制芯片W5200可實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧、10/100 Mb以太網(wǎng)MAC和PHY。W5200內(nèi)部有32 KB的存儲器用于通信數(shù)據(jù)的存儲,可以通過簡單的端口編程[9]。該設(shè)計硬件采用2個網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5200,通過2個不同的網(wǎng)口接以不同的IP地址,利用SPI串口高速通信連接,采用全雙工模式使交換機能夠同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)控制芯片與ARM處理器連線的關(guān)系如圖3所示。以太網(wǎng)通信使用SPI總線,SPI的時鐘最高可達80 MHz,在SPI通信中,ARM處理器作為主機,W5200作為從機。圖中:NSS為片選信號;SCLK為時鐘信號;MOSI為主出從入;MISO為主入從出。為了避免對以太網(wǎng)通信的干擾,這里采用雙層隔離的電路設(shè)計。首先,從CPU出來的相關(guān)SPI信號進行Ⅰ級隔離,采用芯片ADuM3150專用SPI隔離器,ADuM3150集成4個高速通道。4個通道為NSS,CLK,MI/SO和MO/SI(斜杠“/”表示特定輸入和輸出連接,在隔離器兩端形成對應(yīng)SPI總線信號的數(shù)據(jù)路徑),針對B級的低傳播延遲或A級的高噪聲抗擾度進行了優(yōu)化。
W5200與RJ45間連接的網(wǎng)絡(luò)變壓器起到了Ⅱ級隔離的作用,如果不接網(wǎng)絡(luò)變壓器,傳輸距離就會很受限制,而且當接到不同電平網(wǎng)口時,也會有影響,外部對芯片的干擾也很大。網(wǎng)絡(luò)變壓器的作用有:可以增強信號,使其傳輸距離更遠;使芯片端與外部隔離,抗干擾能力大大增強,而且對芯片增強了保護作用(如雷擊);當接到不同電平(如有的PHY芯片是2.5 V,有的PHY芯片是3.3 V)的網(wǎng)口時,不會對彼此設(shè)備造成影響。因為選用的網(wǎng)絡(luò)變壓器HR961160C上帶有2個發(fā)光二極管,此設(shè)計將以太網(wǎng)傳輸速度信號狀態(tài)和LINKLED連接狀態(tài)表現(xiàn)為二極管的發(fā)光情況,其中SPEED信號燈亮表示傳輸速度為100 Mb/s,LINKLED信號燈閃爍表示連接正常。
以上為雙冗余以太網(wǎng)電路設(shè)計的相關(guān)原理,其使得兩路以太網(wǎng)電路通信不受干擾,使得冗余通信更加可靠。
ARM處理器采用MDK開發(fā)平臺的集成開發(fā)環(huán)境,可使用Keil 5軟件結(jié)合C語言和匯編語言進行程序開發(fā),此軟件的在線調(diào)試Debug功能在開發(fā)過程中幫助很大。需要該系統(tǒng)對輸入輸出的傳感器信號和數(shù)據(jù)進行一定的運算與處理,為此,還要在嵌入式系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。
以太網(wǎng)控制器W5200的驅(qū)動程序包括:初始化設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)包程序;數(shù)據(jù)采集和處理程序,包括數(shù)據(jù)收發(fā)格式轉(zhuǎn)換和暫存[10]。以太網(wǎng)控制器W5200驅(qū)動初始化步驟流程圖如圖4所示。
程序?qū)π酒M行協(xié)議所必須的參數(shù)初始化配置,就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā),包括以下幾部分:
1)對以太網(wǎng)芯片所需的管腳進行初始化配置;
2)設(shè)置網(wǎng)口所需的接收緩存區(qū)和發(fā)送緩存區(qū)的大??;
3)設(shè)置網(wǎng)關(guān)IP地址、子碼掩碼、MAC地址和本地IP地址;
4)設(shè)置本地端口號、目的地端口號和目的地IP地址;
5)初始化網(wǎng)口數(shù)據(jù)區(qū),初始化網(wǎng)口故障標志,在網(wǎng)絡(luò)連接超時或故障時網(wǎng)口標志會被設(shè)置為1,以此作為冗余切換的標志。
經(jīng)過初始化后,程序的每次循環(huán)會檢查與目標端口連接是否超時(時間設(shè)置為2 s),若超時,則設(shè)置錯誤標志位為1。
本設(shè)計將2路以太網(wǎng)連接到2個不同的IP地址,配置完成并創(chuàng)立連接后,將其中一路以太網(wǎng)置于工作通道,開放解析報文功能,即能夠與上級控制箱實現(xiàn)通信功能,實時刷新輸入量狀態(tài)和控制輸出量;備份通道在程序中利用錯誤標志位來控制其通信是否開放,在工作通道正常工作時只收集數(shù)據(jù)而不對外開放解析報文輸出功能,以達到熱備份的作用。當工作一路的以太網(wǎng)出現(xiàn)故障時,勢必會導(dǎo)致斷開連接,程序中判據(jù)超時2 s未連接就令錯誤標志位為1,切換備用以太網(wǎng)至工作狀態(tài),解析報文功能開放輸出,以此實現(xiàn)冗余切換功能。圖5為雙冗余實現(xiàn)流程圖。
設(shè)計的控制器會將收集到的數(shù)字量和模擬量以及輸出的數(shù)字量和模擬量通過以太網(wǎng)向外通信,將控制器作為服務(wù)器,平臺管理中心作為客戶端。程序設(shè)計需要從客戶端發(fā)送對應(yīng)的報文(顯示當前采集的量、控制輸出的量),控制器(即服務(wù)器)會回傳應(yīng)答報文,其中應(yīng)答報文按照協(xié)議顯示客戶端所要求采集的數(shù)字和模擬量,也可顯示控制輸出量的相關(guān)信息。
設(shè)計的控制器作為Modbus TCP Server(服務(wù))端,終端設(shè)備為Modbus TCP Client(客戶)端;速率為10/100 Mb/s自適應(yīng);上位機訪問周期為100 ms;使用Modbus功能碼:0x03,0x06和0x10,其功能列舉如下:
1)功能碼0x03(讀取保持寄存器):調(diào)試以太網(wǎng)的AI,DI相關(guān)輸入通信量時,需要用到功能碼0x03舉例報文格式,讀取的值根據(jù)服務(wù)器應(yīng)答的數(shù)據(jù)來讀取。
2)功能碼0x06(寫1個寄存器):因為1個寄存器可暫存2 byte,在只需要發(fā)送2 byte關(guān)于AO,DO數(shù)據(jù)時,在需要寫入單個寄存器時,可用功能碼0x06。
3)功能碼0x10(寫多個寄存器):在發(fā)送多個關(guān)于DO,AO的數(shù)據(jù)時需要用到功能碼0x10的舉例報文格式。
測試以太網(wǎng)通信功能碼0x03情況如圖6所示。由電腦作為客戶端測試發(fā)送關(guān)于功能碼0x03的報文格式,控制器作為服務(wù)端回傳數(shù)據(jù),可以看出,以太網(wǎng)連接正常且客戶端發(fā)送和服務(wù)器應(yīng)答報文格式均符合要求。
模擬艦船給入信號,使用信號發(fā)射器給入控制底箱的采集通道入口,經(jīng)過測試底箱通過以太網(wǎng)回傳的采集數(shù)據(jù)與給入的信號在允許誤差之內(nèi),說明數(shù)據(jù)采集準確并且通過以太網(wǎng)傳輸無誤,接下來,要對冗余切換功能進行測試。
為了測試冗余功能,采用2臺電腦作為客戶端分別與設(shè)備的2個網(wǎng)口IP連接,其中一臺電腦與設(shè)備通信為正常工作狀態(tài),實時采集數(shù)據(jù)和控制輸出,另一臺電腦與設(shè)備以太網(wǎng)通信處于備份狀態(tài),只負責采集數(shù)據(jù)而不輸出。正常工作以太網(wǎng)斷開連接前,一直用另一臺電腦發(fā)送功能碼對應(yīng)的報文格式,確認外部不受控制后,人為地將正常工作的以太網(wǎng)通信斷開連接,計時斷開連接后備用以太網(wǎng)能夠控制對外輸出的冗余切換時間,經(jīng)多次測試,確實滿足2 s的切換時間要求。
本文以STM32系列為主芯片,用于驅(qū)動2個W5200以太網(wǎng)控制芯片,并在硬件方面對以太網(wǎng)電路采取雙隔離,設(shè)計了一種雙冗余以太網(wǎng)通信的控制器。通過Internet,就可以將串口設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集延伸到Internet上的各個終端,方便地對艦船能量系統(tǒng)所需參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和儀器控制,并且由于采用了高集成度的ARM嵌入式處理器,并對通信接口采用了冗余設(shè)計,使之在一路通道故障的情況下能夠及時切換至正常的備用通道,加強了其可靠性,使之具有系統(tǒng)小型化、低成本、低功耗、穩(wěn)定運行等特點,具有應(yīng)用與推廣價值。
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