何凱彥，李維波，許智豪，徐聰，李巍

武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北武漢430070

0 引 言

隨著艦船電力系統(tǒng)電氣化水平的不斷提高，人們不僅要求供電質(zhì)量能夠滿足艦船各設(shè)備的需求，還對其可靠性和生命力提出了更高的技術(shù)要求。實(shí)時通信技術(shù)是艦船獲取設(shè)備信息、實(shí)現(xiàn)智能化必不可少的技術(shù)手段；決策系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)實(shí)時獲取艦用設(shè)備的健康狀態(tài)和現(xiàn)場工況信息，是其實(shí)現(xiàn)正確決策的先決條件。

目前，常規(guī)的現(xiàn)場總線通信方式因其帶寬窄、實(shí)時性差、可靠性不高，已經(jīng)無法滿足綜合電力系統(tǒng)“井噴式”增長的信息交換需求［1］。艦船設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜多變，會受到傳輸距離、現(xiàn)場狀況和風(fēng)浪等諸多因素的影響，從而出現(xiàn)諸如網(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狀況，這將會導(dǎo)致傳輸通道斷開，網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性和可靠性降低，甚至造成網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。因此，急需設(shè)計(jì)出適合船舶內(nèi)部環(huán)境的通信系統(tǒng)，以提高艦船內(nèi)部信息交換的效率和可靠性［2］。

由于艦船設(shè)備更新?lián)Q代周期較長，很多艦船設(shè)備仍然在使用RS-422 串口通信；因此，采用具有連接形式簡單、通信距離遠(yuǎn)、信息傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)的RS-422 現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，并將其與可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)的以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合［3］，是一種現(xiàn)實(shí)的需要。本文將搭建由雙以太網(wǎng)與雙RS-422架構(gòu)組成的冗余網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)在發(fā)生故障時能切換至備用網(wǎng)絡(luò)，保障通信的可靠性和安全性。

1 冗余技術(shù)

冗余技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性最有效的方法之一，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，常常配置多個具有同等功能的部件來增加系統(tǒng)的冗余度，并通過一定的邏輯關(guān)系使其穩(wěn)定可靠運(yùn)行。目前常用的冗余方式有并聯(lián)冗余和混聯(lián)冗余［4］。

1）并聯(lián)冗余。

只有組成系統(tǒng)的所有元件發(fā)生故障才會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，其數(shù)學(xué)模型為

式中：Rs(t)為系統(tǒng)的可靠度；Ri(t)為第i 個單元的可靠度。由于Ri( )t是個小于1 的值，所以并聯(lián)的單元越多，可靠性越高。但是，考慮到并聯(lián)冗余時設(shè)備的尺寸、成本和重量等都會成n 倍增加，所以一般取n=2～3。

2）混聯(lián)冗余。

混聯(lián)冗余是由串聯(lián)和并聯(lián)混合起來的冗余方案，根據(jù)連接的先后順序可以分為串并聯(lián)冗余和并串聯(lián)冗余。串并聯(lián)冗余是將并聯(lián)的各個單元串接起來，并串聯(lián)冗余則是將串聯(lián)的各個單元并聯(lián)起來，具體情況如圖1 所示。

根據(jù)混聯(lián)冗余不同的聯(lián)接方式，可以推出串并聯(lián)冗余數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)統(tǒng)可靠度Rs為

圖1 混聯(lián)冗余架構(gòu)Fig.1 Hybrid redundant architecture

式中：Rij為第i 行第j 列單元的可靠度，當(dāng)各單元可靠度都相等，即Rij=R，且m1=m2=…=mn=m 時，

Rs=[1-(1-R)m]n。

同理，可以推出并串聯(lián)冗余數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)統(tǒng)可靠度Rs為

當(dāng)各單元的可靠度都相等，即Rij=R，且n1=n2=…=nm=n 時，Rs=[1-(1-R)n]m。一般來說，在單元相同的情況下，串并聯(lián)冗余的可靠度要高于并串聯(lián)冗余的可靠度。

根據(jù)以上對冗余方案的對比，本文選擇串并聯(lián)冗余作為冗余實(shí)現(xiàn)的基本模型。在考慮通信可靠性、價格和尺寸等各方面影響的情況下，本文在硬件上將通信模塊并聯(lián)后串聯(lián)在回路中，以此來提高系統(tǒng)的容錯能力。

2 硬件架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

由于艦船設(shè)備復(fù)雜多樣，傳輸數(shù)據(jù)量大，并且艦船網(wǎng)絡(luò)具有特殊性，需要確保數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r可靠地進(jìn)行傳輸；因此，系統(tǒng)應(yīng)采用百兆/千兆以太網(wǎng)自適應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。此外，為了保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性，根據(jù)行業(yè)要求，冗余切換時間不應(yīng)超過100 ms。

為了實(shí)現(xiàn)艦船能量管理系統(tǒng)中以太網(wǎng)與RS-422 的實(shí)時通信，構(gòu)建了基于雙CPU 的雙以太網(wǎng)與雙RS-422 交互通信系統(tǒng)，硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)主要由2 個以太網(wǎng)控制器、2個RS-422 收發(fā)器與2 個CPU 組成。CPU 采用STM32F417ZG，它集成了單周期數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing ，DSP）指令、168 MHz 時鐘頻率的浮點(diǎn)單元（Floating Point Unit，F(xiàn)PU）、1 MB 閃存和192 kB 的靜態(tài)存取存儲器（SRAM）。這不僅使數(shù)字信號控制器應(yīng)用和快速產(chǎn)品開發(fā)達(dá)到了新的水平，而且提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。集控中心的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳遞給控制模塊，經(jīng)控制模塊處理后通過RS-422 收發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)出去。上位機(jī)亦可發(fā)送相關(guān)命令來控制數(shù)據(jù)的輸出。

圖2 雙以太網(wǎng)與RS-422 交互通信系統(tǒng)的原理框圖Fig.2 The principle block diagram of dual Ethernet and dual RS-422 interactive communication system

該系統(tǒng)在雙CPU 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)雙以太網(wǎng)與雙RS-422 冗余網(wǎng)絡(luò)，通過增加元件的冗余度來保障通信的可靠性［5］。

雙冗余方式能夠加強(qiáng)互轉(zhuǎn)通信系統(tǒng)的可靠性。即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了故障，系統(tǒng)也能繼續(xù)為用戶提供服務(wù)。該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置靈活、方便，可以快速、平穩(wěn)、無縫切換，既保證了通信系統(tǒng)的可靠性和快速性，又能適應(yīng)電磁環(huán)境復(fù)雜、傳輸距離較遠(yuǎn)、通信準(zhǔn)確度高的工作場合。

2.2 隔離式以太網(wǎng)收發(fā)模塊

本文以W5500 作為以太網(wǎng)控制器，其內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，具有10/100 Mbit/s 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層及物理層，并且新的高效串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）協(xié)議能夠更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，為主控制器單元提供更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案，與其他嵌入式以太網(wǎng)方案相比更加方便、快捷。另外，W5500 內(nèi)部有32 kB 的存儲器用于緩存通信數(shù)據(jù)。用戶只需要通過簡單的Socket編程就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的應(yīng)用，而不需要處理復(fù)雜的以太網(wǎng)控制［6］。

在本文設(shè)計(jì)中，硬件采用2 個W5500 以太網(wǎng)控制器芯片和2 個STM32F417ZG CPU（一個為主CPU，另一個為備份CPU）。STM32F417ZG 利用3 個SPI 中的任何2 個與外圍以太網(wǎng)控制器芯片W5500 進(jìn)行信息交互，2 個CPU 之間則通過自身的USART 端口進(jìn)行信息交換。主、備CPU 利用SPI 總線分別與2 個W5500 連接，采用全雙工模式使交換機(jī)能夠同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建雙以太網(wǎng)冗余通信。在正常工作時，主CPU 承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，2 個W5500 控制器同時接收總線上的數(shù)據(jù)，并將其中一條通道設(shè)置為工作網(wǎng)口，承擔(dān)主線路的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)工作通道發(fā)生故障時，切換至備份網(wǎng)口完成數(shù)據(jù)傳輸。同樣，備份CPU 只是對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，當(dāng)主CPU 發(fā)生故障時，切換至備份CPU。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將STM32F417ZG 和W5500 控制器的優(yōu)點(diǎn)集成為一體，大大提高了通信系統(tǒng)的便捷性和可靠性［7］。以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。

W5500 支持固件TCP/IP 協(xié)議，其可通過SPI接口與CPU 非常簡單地實(shí)現(xiàn)Internet 網(wǎng)絡(luò)連接。在SPI 通信中，STM32F417ZG 作為主機(jī)、W5500 作為從機(jī)，系統(tǒng)啟動一個主機(jī)與從機(jī)同步通信。通信時，主機(jī)通過SPI 總線的MISO（主入從出）完成數(shù)據(jù)輸入，通過MOSI（主出從入）完成數(shù)據(jù)輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換［8］。

為了避免對以太網(wǎng)通信的干擾，使其傳輸距離更遠(yuǎn)，需要在TX 與RX 處外接網(wǎng)口變壓器。該變壓器可以實(shí)現(xiàn)信號的電平耦合，將芯片端與外部隔離開來，減少芯片端受到的外部干擾，保證芯片能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

2.3 隔離式RS-422 收發(fā)模塊

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，串口通信技術(shù)已非常成熟，RS-422 作為一種典型的串口通信方式，具有傳輸距離遠(yuǎn)、連接簡單和可靠性高等優(yōu)勢。它是一種典型的差分傳輸串口通信方式，根據(jù)兩條傳輸線之間的電位差值來判斷邏輯狀態(tài)，當(dāng)兩條差分信號線之間的電壓差為+2～+6 V 時表示為邏輯“1”，兩線之間的電壓差為-2～-6 V 時表示為邏輯“0”［9］。由于取消了地線，該通信方式大大降低了信號地線帶來的共模干擾。

圖3 以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Ethernet circuit design block diagram

考慮到設(shè)計(jì)的高效和穩(wěn)定性，本文采用ADM2587EBRWZ 作為RS-422 的收發(fā)器，它是隔離式RS-422 收發(fā)器，可配置為半雙工或全雙工。以其中一路CPU 接線為例，RS-422 串行通信的電路如圖4 所示。圖中，ADM2587EBRWZ 采用ADI公司的iCoupler 技術(shù)，使用5 V 單電源供電，在器件內(nèi)部集成了三通道隔離器、三態(tài)差分線路驅(qū)動器（Y，Z）、差分輸入接收器（A，B）和isoPower DC/DC 轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)了完全集成的信號與電源隔離的RS-422 解決方案［10］。利用STM32F417ZG 中的通用輸入輸出口（GPIO）復(fù)用串口功能，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路串口的控制，具有簡單方便的特點(diǎn)。

3 軟件架構(gòu)

由于通信的一方是高速率的以太網(wǎng)，另一方是速率較低的串口，為了保證兩者通信的可靠性，需要設(shè)置一段數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)都會先放在緩沖區(qū)。在對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，讀取外部數(shù)據(jù)數(shù)量、緩沖中數(shù)據(jù)的起始地址和外部緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)后，CPU 計(jì)算最新的偏移地址并將其寫入寄存器。如果外部數(shù)據(jù)量超出發(fā)送緩沖區(qū)容量，則需要分兩次寫入，以避免緩沖區(qū)溢出。同時，判斷是否有串口接收中斷，如果有，則啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)按照串口數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同理，在串口向以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，需將串口接收到的數(shù)據(jù)拆分解析后放入緩沖區(qū)，然后再按照TCP/IP 協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并將封裝好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送出去。

3.1 雙CPU 冗余策略

在本系統(tǒng)中，2 個CPU 采用冗余備份的方式完成數(shù)據(jù)通信。默認(rèn)CPU1 為主控制器，CPU2 為備份控制器，并對2 個網(wǎng)口和串口都進(jìn)行初始化，2 個CPU 模塊根據(jù)自檢的結(jié)果判斷是否需要被接管。正常情況下，CPU1 模塊輸出控制信號。當(dāng)CPU1 模塊出現(xiàn)故障時，CPU1 模塊向CPU2 模塊發(fā)送接管控制信號，同時CPU1 停止輸出。如果CPU2 模塊也出現(xiàn)故障，則2 個CPU 模塊都停止輸出控制信號使其不能被接管，并報設(shè)備故障，從而防止因?yàn)楣收陷敵鲥e誤的信號，影響系統(tǒng)安全。具體冗余切換控制策略如圖5 所示。

圖5 雙CPU 冗余實(shí)現(xiàn)流程Fig.5 Redundant implementation process of dual CPU

3.2 以太網(wǎng)冗余的實(shí)現(xiàn)

在以太網(wǎng)通信過程中，CPU 在每次主循環(huán)中都會從狀態(tài)寄存器讀取狀態(tài)字并寫入相應(yīng)的寄存器，利用W5500 的Socket 套接字操作相關(guān)函數(shù)，將套接字狀態(tài)寄存器Sn_SR（s）中的狀態(tài)字返回給CPU，從而確定網(wǎng)口的工作狀態(tài)。正常通信時，CPU讀取外部緩存數(shù)據(jù)并計(jì)算偏移地址完成數(shù)據(jù)接收命令；當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接超時、網(wǎng)口斷開等狀態(tài)時，會觸發(fā)中斷產(chǎn)生，此時網(wǎng)口1 的故障狀態(tài)標(biāo)志位Net1_Status_Flag 置1，切換至網(wǎng)口2 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。只有當(dāng)網(wǎng)口1 重新連接時才會將故障標(biāo)志位清零，使其處于備份通信狀態(tài)；此時如果網(wǎng)口2 也發(fā)生故障，則將網(wǎng)口2 的故障標(biāo)志位Net2_Status_Flag 置1，切換至網(wǎng)口1 進(jìn)行通信。如果檢測到2路故障標(biāo)志位都為1，則報設(shè)備故障，故障燈亮起。以太網(wǎng)切換流程如圖6 所示。

圖6 以太網(wǎng)冗余實(shí)現(xiàn)流程Fig.6 Redundant implementation process of Ethernet

3.3 RS422 冗余的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)RS-422 串行通信，首先需要對串口進(jìn)行初始化，包括引腳、時鐘、數(shù)據(jù)區(qū)、波特率和數(shù)據(jù)位等的初始化。利用RS422_Init_Port（BaudRate）函數(shù)可以完成對波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等相關(guān)參數(shù)的配置。在串行通信過程中，主機(jī)主動向2 條RS-422 總線發(fā)送鏈路檢測幀，下位機(jī)在接收到主機(jī)發(fā)送的檢測幀后，返回確認(rèn)信息。同時，主機(jī)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成幀數(shù)據(jù)，下位機(jī)在接收到用戶數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，從而判斷數(shù)據(jù)是否接收完全、數(shù)據(jù)傳輸是否正確，并根據(jù)數(shù)據(jù)幀攜帶的功能碼做出響應(yīng)。主機(jī)在接收到下位機(jī)的響應(yīng)后優(yōu)先對一條總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果在通信過程中發(fā)生通信故障，就處理另一條總線的數(shù)據(jù)，完成總線的切換，并提示報警。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖7 所示。

4 工程化驗(yàn)證

圖7 RS-422 冗余實(shí)現(xiàn)流程Fig.7 Redundant implementation process of RS-422

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，本文采用外接PC 機(jī)來模擬上位機(jī)與底層設(shè)備通信。在測試裝置中，將2 個網(wǎng)口設(shè)置為同一個IP，并采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）模式進(jìn)行傳輸。當(dāng)其中一個網(wǎng)口斷開時，另一個網(wǎng)口響應(yīng)連接。具體測試環(huán)境如圖8 所示。

為了對冗余切換進(jìn)行驗(yàn)證，除狀態(tài)指示燈外，

圖8 測試環(huán)境Fig.8 Testing environment

在冗余切換時可以通過測試幀幀頭的不同來更加直觀地驗(yàn)證冗余通信策略能否完成。本文利用調(diào)試助手來發(fā)送數(shù)據(jù)，并讀取回傳的數(shù)據(jù)以測試功能是否實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)口1 和串口1 的測試幀幀頭分別為0x03 和0x5A。當(dāng)網(wǎng)口1 發(fā)生故障時，將網(wǎng)口1的故障狀態(tài)標(biāo)志位置1，切換至網(wǎng)口2 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并且測試幀幀頭由0x03 變?yōu)?x06，此時網(wǎng)口1的狀態(tài)指示燈熄滅，網(wǎng)口2 的狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，將網(wǎng)口1 重新連接后，網(wǎng)口2 仍然作為主通路進(jìn)行通信，網(wǎng)口1作為備用通路；若將網(wǎng)口2斷開，則網(wǎng)口2的故障標(biāo)志位置1，網(wǎng)口1 的測試幀幀頭又變?yōu)?x03，此時，網(wǎng)口1 作為主通路進(jìn)行通信，網(wǎng)口2 的狀態(tài)指示燈熄滅，網(wǎng)口1 的指示燈點(diǎn)亮。具體測試結(jié)果如圖9 所示。結(jié)果表明，網(wǎng)口的冗余切換能夠?qū)崿F(xiàn)。

同樣，設(shè)置好串口調(diào)試助手的相關(guān)參數(shù)，包括波特率、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，串口波特率設(shè)置為19.2 kbit/s，采用奇校驗(yàn)，8 位數(shù)據(jù)位和1 位停止位。根據(jù)協(xié)議內(nèi)容檢測輸出的數(shù)據(jù)是否正確。為了檢測RS-422 通信部分也能進(jìn)行冗余切換，默認(rèn)串口1 為數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ魍ǖ?，?dāng)串口1 發(fā)生故障時，將串口1 的故障狀態(tài)標(biāo)志位置1，串口測試幀幀頭由0x5A 變?yōu)?x6A，并切換至串口2 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時，串口1 的狀態(tài)指示燈熄滅，串口2 的狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮。將串口1 重新連接，串口2 仍然作為主通路進(jìn)行通信。只有串口2 斷開連接時才會重新切換至串口1，測試幀幀頭又變?yōu)?x5A。RS-422收發(fā)器得到的數(shù)據(jù)如圖10所示。結(jié)果表明，串口的冗余切換能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖9 以太網(wǎng)冗余測試結(jié)果Fig.9 Redundanct test results of Ethernet

圖10 RS-422 冗余測試結(jié)果Fig.10 Redundant test results of RS-422

為了驗(yàn)證該裝置的可靠性，通過模擬不同工況下出現(xiàn)的故障來對冗余功能進(jìn)行測試。工程化驗(yàn)證包括雙CPU 冗余驗(yàn)證、以太網(wǎng)部分冗余驗(yàn)證和RS-422 部分冗余驗(yàn)證。具體故障模式的測試結(jié)果如表1～表3 所示。

現(xiàn)場環(huán)境下的反復(fù)測試表明：該裝置能夠滿足冗余切換時間不超過100 ms 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；基本無丟包現(xiàn)象，且丟包對數(shù)據(jù)通信不會造成影響；其他各方面指標(biāo)也均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 雙CPU 故障測試結(jié)果Table 1 Fault test results of dual CPU

表2 雙以太網(wǎng)故障測試結(jié)果Table 2 Fault test results of dual Ethernet

表3 雙RS-422 故障測試結(jié)果Table 3 Fault test results of dual RS-422

5 結(jié) 語

本文構(gòu)建了基于雙CPU 的雙以太網(wǎng)與雙RS-422 交互通信系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)上采用雙隔離與雙冗余，再通過軟件實(shí)現(xiàn)冗余切換功能來保證系統(tǒng)與外界設(shè)備通信時的數(shù)據(jù)傳輸。模擬測試結(jié)果表明，該通信系統(tǒng)能夠及時地切換到備用網(wǎng)絡(luò)，確保信息在現(xiàn)場環(huán)境傳輸?shù)膶?shí)時性。該通信系統(tǒng)既能保證通信的可靠性和快速性，又能適應(yīng)電磁環(huán)境復(fù)雜、傳輸距離較遠(yuǎn)、通信準(zhǔn)確度高的工作場合，具有較高的抗干擾能力。