孫 澤 劉利源 何治斌 王萌萌 徐飛翔

(大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院 遼寧 大連 116026)

0 引 言

輪機(jī)模擬器是應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和半實(shí)物仿真方法搭建的具有與實(shí)船相似的模擬操作平臺(tái),在模擬設(shè)備上操作可以獲得與實(shí)船相近的設(shè)備響應(yīng)過(guò)程,被廣泛地運(yùn)用于輪機(jī)人員的操作培訓(xùn)、考核發(fā)證、工程論證等領(lǐng)域[1]。輪機(jī)模擬器一般采用客戶(hù)端/服務(wù)器(C/S)模式[2],上位機(jī)仿真服務(wù)器運(yùn)行輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的仿真模型,分布式處理單元(DPU)作為下位機(jī)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)接收上位機(jī)的仿真數(shù)據(jù),同時(shí),DPU的操作數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)上傳至仿真服務(wù)器驅(qū)動(dòng)仿真模型的運(yùn)算。DPU是輪機(jī)模擬器硬件平臺(tái)的核心組成部分,主要起到了控制、監(jiān)視及輔助操作設(shè)備的作用[3]。

目前,針對(duì)輪機(jī)模擬器的不同仿真設(shè)備及系統(tǒng),設(shè)計(jì)了不同的下位機(jī)通信板卡,且不同的下位機(jī)設(shè)備和上位機(jī)仿真模型之間的應(yīng)用層通信協(xié)議不盡相同,增加了上位機(jī)仿真模型的開(kāi)發(fā)難度。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了萬(wàn)箱船柴油發(fā)電機(jī)模擬控制面板,實(shí)現(xiàn)了模擬控制面板和柴油發(fā)電機(jī)仿真模型間的實(shí)時(shí)通信。文獻(xiàn)[5]針對(duì)分油機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了分布式分油機(jī)仿真面板,取得了較好的效果。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種油水分離器仿真模塊,能夠脫離上位機(jī)仿真模型,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立仿真,同時(shí)還能與上位機(jī)仿真模型實(shí)時(shí)交互。但以上的仿真面板具有功能單一、通用性差、與仿真模型耦合度高等缺點(diǎn),不適合在輪機(jī)模擬器的硬件平臺(tái)上廣泛使用。文獻(xiàn)[7]提出了分離型輪機(jī)模擬器仿真平臺(tái),要求仿真模型和交互UI以及硬件交互耦合度要低。

DPU作為下位機(jī)設(shè)備,在分離型輪機(jī)模擬器中處于數(shù)據(jù)交互樞紐,既能接收上位機(jī)仿真模型的仿真數(shù)據(jù),又能實(shí)時(shí)采集半實(shí)物仿真設(shè)備的相應(yīng)的操作數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)信息實(shí)時(shí)交互。下行仿真數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至DPU的通信模塊,再由主控芯片進(jìn)行協(xié)議解析,經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)度優(yōu)化,由外圍執(zhí)行電路更新至指定半實(shí)物仿真設(shè)備;上行數(shù)據(jù)采集于半實(shí)物仿真設(shè)備,經(jīng)DPU通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)仿真模型。

本文基于分離型輪機(jī)模擬器仿真平臺(tái),設(shè)計(jì)一種通用型DPU,可實(shí)現(xiàn)與輪機(jī)模擬器的各個(gè)設(shè)備仿真模型間的實(shí)時(shí)交互,并且仿真數(shù)據(jù)交互采用統(tǒng)一的通信協(xié)議,具有通用性好、集成度高、耦合度低等優(yōu)點(diǎn)。

1 輪機(jī)模擬器概述

在輪機(jī)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域,輪機(jī)模擬器已經(jīng)是一個(gè)成熟的產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)外比較知名的產(chǎn)品有挪威KONSBERG輪機(jī)模擬器、英國(guó)的TRANSAS輪機(jī)模擬器、大連海事大學(xué)的DMS-2015輪機(jī)模擬器[8]。輪機(jī)模擬器是采用數(shù)學(xué)建模對(duì)船舶輪機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備、管網(wǎng)、系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系、數(shù)值關(guān)系等以抽象化的數(shù)值形式進(jìn)行描述。

分離型輪機(jī)模擬器是由仿真模型和硬件交互DPU兩部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真模型和DPU相互隔開(kāi),硬件交互DPU與仿真模型通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享相連,這種結(jié)構(gòu)可以有效降低硬件交互DPU和仿真模型的耦合度[9]。在分離型輪機(jī)模擬器的上位機(jī)仿真模型中,各個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)均具有獨(dú)立的仿真模型,不同仿真模型間耦合度較低,并通過(guò)獨(dú)立的以太網(wǎng)IP地址與對(duì)應(yīng)的下位機(jī)DPU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,當(dāng)一個(gè)模型發(fā)生故障時(shí),其他仿真模型仍可正常工作,具有良好的可維護(hù)性;且當(dāng)下位機(jī)DPU發(fā)生故障時(shí),上位機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)亦不受影響。

圖1 分離型輪機(jī)模擬器結(jié)構(gòu)

仿真模型向DPU傳輸?shù)姆抡鏀?shù)據(jù)主要有指示燈的狀態(tài)、設(shè)備的啟動(dòng)和停止、繼電器的斷/閉、儀表的顯示、電磁閥的開(kāi)度等。DPU向上位機(jī)仿真模型端傳輸?shù)男盘?hào)或數(shù)據(jù)主要有開(kāi)關(guān)、按鈕、附屬設(shè)備的啟動(dòng)、儀表和車(chē)鐘信號(hào)(4～20 mA電流信號(hào))、電位器信號(hào)(電阻信號(hào))等。輪機(jī)模擬器的硬件交互DPU不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出,而且還能實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制,具備以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信功能。

2 硬件架構(gòu)

DPU硬件架構(gòu)如圖2所示,主要由6個(gè)部分構(gòu)成,分別為主控芯片模塊、32路數(shù)字量輸入DI模塊、32路數(shù)字量輸出DO模塊、8路4～20 mA電流模擬量輸入AI模塊、8路4～20 mA電流模擬量輸出AO模塊、以太網(wǎng)通信模塊。主控芯片是DPU的核心單元,它不僅要采集和處理輪機(jī)模擬器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字量信號(hào)和模擬電流信號(hào),而且要接收上位機(jī)仿真模型的仿真數(shù)據(jù),并進(jìn)行解析,以控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的顯示和相應(yīng)操作。針對(duì)上述過(guò)程,需要主控芯片具有較快的運(yùn)算速度才能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和相應(yīng)的操作做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。本文選用ARM公司的STM32F767IGT6微處理器作為核心處理單元,它集成了數(shù)字信號(hào)處理指令、216 MHz時(shí)鐘頻率的浮點(diǎn)單元、1 MB Flash和512 KB SRAM[10]。

在DI通道電路設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮了輸出電壓值、電流大小、穩(wěn)壓、隔離保護(hù)等因素后設(shè)計(jì)了32路DI通道,各通道在電路設(shè)計(jì)上是相同的,以其中一路為例,具體如圖3所示。光耦隔離LTV-357T具有單向傳遞、強(qiáng)共模抑制等優(yōu)點(diǎn),將24 V外部電路與5 V內(nèi)部電路進(jìn)行隔離,確保系統(tǒng)安全、信號(hào)可靠。雙向電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LCV8T245DBQR實(shí)現(xiàn)3.3 V與5 V轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的3.3 V高電平或低電平被微處理器捕獲,實(shí)現(xiàn)了電氣隔離和電平的傳輸與轉(zhuǎn)換?？紤]電路的輸出驅(qū)動(dòng)能力和隔離保護(hù)后設(shè)計(jì)了32路DO通道,具體一路DO通道如圖4所示。信號(hào)放大器BSR606N可承受灌入電流高達(dá)2.3 A和60 V的電壓,實(shí)現(xiàn)功率放大、恒流、信號(hào)輸出流向的控制。

圖3 DI通道電路設(shè)計(jì)

圖4 DO通道電路設(shè)計(jì)

8路AI電路獨(dú)立設(shè)計(jì),若一路通道損壞,對(duì)其他通道不會(huì)產(chǎn)生任何影響,確保了電路的可靠性和穩(wěn)定性。其中一路AI通道電路設(shè)計(jì)如圖5所示。輸入4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),經(jīng)150 Ω精密電阻轉(zhuǎn)化為0.6～3.0 V電壓,經(jīng)低通濾波器,接入運(yùn)算放大器OPA2277U,經(jīng)同相比例運(yùn)算放大1.1倍后輸出電壓0.66～3.3 V,并進(jìn)行去耦處理。微處理器的GPIO口配置模擬量輸入模式,采集運(yùn)算放大器輸出端的模擬電壓,然后通過(guò)微處理器內(nèi)嵌的12位A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量保存于寄存器中,實(shí)現(xiàn)了電流模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)功能。

圖5 AI通道電路設(shè)計(jì)

微處理器內(nèi)嵌的D/A轉(zhuǎn)換器通道數(shù)量少、驅(qū)動(dòng)能力較弱、處理精度低,不適合8路AO方案,因此,選用了AD公司的16位ADC芯片AD5676R來(lái)實(shí)現(xiàn)8路通道模擬量的輸出。AD5676R支持串行SPI總線(xiàn),SPI的時(shí)鐘最高可達(dá)50 MHz,在SPI通信中,微處理器為主機(jī),AD5676R為從機(jī),實(shí)現(xiàn)通道號(hào)、數(shù)據(jù)、命令的傳輸通信。AD5676R輸出0～2.5 V電壓信號(hào)經(jīng)2倍放大電路,由精密電阻轉(zhuǎn)為4～20 mA電流模擬量信號(hào)輸出。具體電路如圖6所示。

圖6 AO通道電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信模塊,采用微處理器+W5500+網(wǎng)絡(luò)變壓器+RJ45的連接形式。W5500是一款嵌入式以太網(wǎng)控制器,其內(nèi)部不僅集成了固件TCP/IP協(xié)議棧,支持TCP、UDP等協(xié)議,而且還內(nèi)嵌了10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(DL)和物理子層(PHY),這兩個(gè)子層構(gòu)成介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC),在設(shè)計(jì)中只需要通過(guò)帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45就可以和Ethernet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接[11]。此外,W5500內(nèi)嵌了16 KB發(fā)送和16 KB接收的緩存區(qū)用于存放以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。

微處理器和W5500連接如圖7所示,W5500支持串行SPI總線(xiàn)與微處理器連接,此連接方式只需要4個(gè)通用輸入輸出口(GPIO)引腳便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這4個(gè)GPIO引腳分別為從機(jī)選擇SCS、時(shí)鐘SCLK、主機(jī)輸出從機(jī)輸入MOSI、主機(jī)輸入從機(jī)輸出MISO。另外,還配置了一個(gè)GPIO作為W5500的復(fù)位引腳,一個(gè)外部中斷引腳來(lái)響應(yīng)W5000的中斷。在SPI總線(xiàn)通信中,微處理器作為主機(jī),W5500為從機(jī),時(shí)鐘SCLK提供主機(jī)與從機(jī)同步節(jié)拍,主機(jī)通過(guò)MISO引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入,通過(guò)MOSI引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出,以完成數(shù)據(jù)的交換[12]。

圖7 微處理器和W5500連接

3 通信協(xié)議

輪機(jī)模擬器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信量較大,對(duì)數(shù)據(jù)幀傳送順序沒(méi)有要求,也不要求數(shù)據(jù)丟失重傳。運(yùn)輸層中的TCP協(xié)議面向連接、提供可靠的傳輸服務(wù)并具有流量控制、超時(shí)重傳、失序處理等功能,但是協(xié)議首部太長(zhǎng)、系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大、不提供多播服務(wù)。UDP協(xié)議首部開(kāi)銷(xiāo)小、傳輸效率高,在傳輸?shù)目煽啃苑矫?雖然不保證可靠交付,但可以對(duì)交付的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),保證可靠性可以滿(mǎn)足要求。因此,輪機(jī)模擬器和交互DPU數(shù)據(jù)傳輸采用簡(jiǎn)單、效率高、實(shí)時(shí)性好、支持海量并發(fā)的UDP協(xié)議。

UDP數(shù)據(jù)幀格式如圖8所示。UDP數(shù)據(jù)幀頭部一共有3個(gè)字段,占8個(gè)字節(jié),第一個(gè)字段是目標(biāo)IP地址,存放目標(biāo)仿真模型端的主機(jī)IP地址;第二字段是目標(biāo)端口號(hào),用于區(qū)分輪機(jī)設(shè)備的各仿真系統(tǒng);第三個(gè)字段是應(yīng)用層傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)長(zhǎng)度。UDP數(shù)據(jù)包是上位機(jī)應(yīng)用程序與交互DPU傳輸?shù)挠行?shù)據(jù),具體的規(guī)定如下:

圖8 UDP數(shù)據(jù)幀格式

1) 數(shù)據(jù)包頭部:上位機(jī)和下位機(jī)交互的起始字節(jié)規(guī)定為0XFE。

2) 數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度:上位機(jī)或下位機(jī)的應(yīng)用層程序交付的UDP數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。

3) 功能碼:用于區(qū)分不同的功能。

4) 數(shù)據(jù)區(qū):根據(jù)功能碼的不同,定義了不同的數(shù)據(jù)區(qū),具體如表1所示。

表1 協(xié)議功能碼參照表

5) 數(shù)據(jù)包校驗(yàn)值:

bxor=b1⊕b2⊕…⊕blen-2

(1)

式中:bxor表示對(duì)數(shù)據(jù)包的前l(fā)en-2字節(jié)異或校驗(yàn)的值;blen-2表示UDP數(shù)據(jù)包的第len-2字節(jié);⊕表示異或校驗(yàn)符號(hào)。

6) 數(shù)據(jù)包尾部:上位機(jī)和下位機(jī)交互的結(jié)束字節(jié)規(guī)定為0XFF。

4 軟件架構(gòu)

4.1 軟件總架構(gòu)

以集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil5為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),充分利用ST官方的固件庫(kù),采用C語(yǔ)言編寫(xiě)分布式處理單元的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序和相應(yīng)的應(yīng)用程序。借鑒MVC軟件設(shè)計(jì)模式中的程序結(jié)構(gòu)層次化、模塊獨(dú)立化、內(nèi)部關(guān)聯(lián)簡(jiǎn)潔化的原則,使軟件架構(gòu)高內(nèi)聚低耦合,以便于程序的后期維護(hù)、增強(qiáng)可讀性[10]。根據(jù)分布式處理單元的應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)任務(wù),將其軟件部分分為通信層、數(shù)據(jù)層、任務(wù)層三層結(jié)構(gòu),并將三層結(jié)構(gòu)分為通信驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)解算、指令集、內(nèi)存池、功能應(yīng)用等五大主要模塊,各層之間、模塊之間的邏輯關(guān)系如圖9所示。

圖9 軟件總架構(gòu)

4.2 通信層

通信層主要包含通信驅(qū)動(dòng)模塊,其功能主要為:根據(jù)輪機(jī)模擬器仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)通信傳輸協(xié)議,完成輪機(jī)模擬器上位機(jī)與下位機(jī)分布式處理單元的數(shù)據(jù)通信。通過(guò)以太網(wǎng),實(shí)時(shí)接收上位機(jī)下行數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)接口,將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)層;經(jīng)數(shù)據(jù)接口讀入數(shù)據(jù)層傳入的數(shù)據(jù),再根據(jù)指令接口指令,實(shí)時(shí)發(fā)送下位機(jī)上行數(shù)據(jù)。通信層程序流程如圖10所示。

圖10 通信層程序流程

4.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要由指令集、數(shù)據(jù)解算、內(nèi)存池三大模塊構(gòu)成。其中,指令集將讀取數(shù)據(jù)解算模塊傳入指令接口的指令碼,將數(shù)據(jù)發(fā)送、功能應(yīng)用選擇、復(fù)位等指令傳入指令接口,使得通信層、任務(wù)層取得相應(yīng)指令,以完成相應(yīng)功能。數(shù)據(jù)解算模塊從數(shù)據(jù)接口讀入通信層、任務(wù)層需處理的數(shù)據(jù),并將處理后上行數(shù)據(jù)或執(zhí)行數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)接口,以供通信層和任務(wù)層根據(jù)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用。數(shù)據(jù)解算模塊將完成數(shù)據(jù)讀取與存放、協(xié)議解析與封裝、數(shù)據(jù)調(diào)制、內(nèi)存池?cái)?shù)據(jù)讀取與更新、數(shù)據(jù)匹配與校驗(yàn)、指令碼產(chǎn)生與存放等。內(nèi)存池則用于存放數(shù)據(jù)解算模塊產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù),并通過(guò)I2C通信完成數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入。數(shù)據(jù)層程序流程如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)層程序流程

4.4 任務(wù)層

任務(wù)層根據(jù)指令接口中的指令,從數(shù)據(jù)接口中調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出,或?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)接口中,以完成DO、DI、AI和AO任務(wù)。DO、DI任務(wù)中,32路輸出輸入的每一個(gè)通道都直接對(duì)應(yīng)微處理器的一個(gè)GPIO口,DO通道均初始化為強(qiáng)推挽輸出,DI通道均初始化為輸入模式,通過(guò)外圍調(diào)制電路完成DO、DI功能。AO任務(wù)中,微處理器將輸出數(shù)據(jù)經(jīng)SPI接口傳入D/A模塊,然后通過(guò)放大電路完成AO功能。AI任務(wù)中,8路采集通道利用微處理器STM32F767內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換模塊可實(shí)現(xiàn)規(guī)則組和注入組兩種采樣方式,本系統(tǒng)選用規(guī)則組采樣方式,通過(guò)外圍高精度運(yùn)算放大電路完成模擬量采集。任務(wù)層功能應(yīng)用程序流程如圖12所示。

圖12 功能應(yīng)用程序流程

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 平臺(tái)搭建

測(cè)試平臺(tái)由一臺(tái)工作站PC、測(cè)試軟件、分布式處理單元、一臺(tái)示波器,以及諸如通信模塊、繼電器模組、電流轉(zhuǎn)電壓檢測(cè)模塊等配件組成,如圖13所示。

圖13 測(cè)試平臺(tái)

5.2 DO功能驗(yàn)證

據(jù)圖14可知,測(cè)試軟件以50 ms間隔值向DPU發(fā)送DO測(cè)試數(shù)據(jù),DPU DO端口以平均周期為53 ms進(jìn)行高低電平輸出,高電平為24 V,低電平為0 V;根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)間隔值統(tǒng)計(jì)圖可知,測(cè)試軟件實(shí)際相鄰兩次數(shù)據(jù)發(fā)送間隔均值為53.49 ms,實(shí)際相鄰兩次數(shù)據(jù)接收間隔均值為53.45 ms,兩值近似相等,且與端口輸出周期較為接近;據(jù)圖15可知,DO測(cè)試時(shí),每組數(shù)據(jù)從測(cè)試軟件發(fā)出到測(cè)試軟件接收到DPU應(yīng)答的應(yīng)答間隔約為13.97 ms。

圖14 DO示波圖與收發(fā)間隔值統(tǒng)計(jì)

圖15 DO發(fā)送與應(yīng)答時(shí)間間隔值統(tǒng)計(jì)

5.3 DI功能驗(yàn)證

進(jìn)行DI采集時(shí),DI采集信號(hào)為無(wú)源信號(hào),調(diào)制電路將電路電位的高低變化反饋到微處理器的GPIO口,微處理器通過(guò)周期掃描的方式,對(duì)GPIO口的電位狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)采集,并將高電位映射為二進(jìn)制0,低電位映射為二進(jìn)制1,通過(guò)數(shù)據(jù)匹配對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行判斷,若采集信號(hào)發(fā)生變化,則將采集信號(hào)發(fā)往上位機(jī)。測(cè)試時(shí),通過(guò)將發(fā)送間隔200 ms的DO數(shù)據(jù)發(fā)送至DPU,使其DO端口輸出電壓信號(hào),驅(qū)動(dòng)繼電器模組,以產(chǎn)生無(wú)源開(kāi)關(guān)啟閉狀態(tài),再將繼電器模組常開(kāi)觸點(diǎn)接入DI信號(hào)采集端口,以實(shí)現(xiàn)DI功能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16和圖17所示。

圖16 測(cè)試軟件DI可視化界面

圖17 DI測(cè)試相鄰兩次收發(fā)間隔值比對(duì)

DI測(cè)試時(shí),DO端口21-24號(hào)輸出的信號(hào)依次對(duì)應(yīng)DI端口25-28號(hào)采集信號(hào)。圖16中反映出DI端口準(zhǔn)確完成數(shù)字量采集;圖17反映出,測(cè)試軟件實(shí)際以212.65 ms的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔均值,向DPU發(fā)送DO信號(hào),并以213.21 ms的數(shù)據(jù)接收間隔均值接收到DI采集信號(hào),兩者僅相差0.56 ms。

5.4 AO功能驗(yàn)證

處理AO數(shù)據(jù)時(shí),DPU將輸出4～20 mA電流信號(hào),經(jīng)255次連續(xù)增大完成。第256次數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí),通道輸出電流降為4 mA。因此,AO信號(hào)在示波器上的圖形為鋸齒波。由于示波器僅采集電壓變化波形,所以將AO輸出的電流流經(jīng)20 Ω精密電阻R,通過(guò)觀察R兩端電壓的變化規(guī)律反映AO輸出的變化規(guī)律。測(cè)試時(shí),測(cè)試軟件以發(fā)送數(shù)據(jù)間隔為28 ms,向DPU發(fā)送AO測(cè)試數(shù)據(jù),若正確處理完AO數(shù)據(jù),將返回所接收的數(shù)據(jù),以應(yīng)答測(cè)試軟件。測(cè)試結(jié)果如圖18和圖19所示。

據(jù)圖18可知,AO端口以平均周期為31.76 ms進(jìn)行電流輸出,根據(jù)歐姆定律,電流變化范圍為4.4～20.8 mA,誤差處于正常范圍;根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)間隔值統(tǒng)計(jì)圖可知,測(cè)試軟件實(shí)際相鄰兩次數(shù)據(jù)發(fā)送間隔均值為31.27 ms,相鄰兩次數(shù)據(jù)接收間隔均值為31.25 ms,兩值近似相等,且與端口輸出周期較為接近;據(jù)圖19可知,AO測(cè)試時(shí),每組數(shù)組從測(cè)試軟件發(fā)出到測(cè)試軟件接收DPU應(yīng)答的應(yīng)答間隔約為3.47 ms。

5.5 AI功能驗(yàn)證

AI采樣驅(qū)動(dòng)程序充分考慮采樣精度、采樣周期、采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)因素后,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模組,采用連續(xù)50次充分采樣求平均的采樣方式,將4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～255的數(shù)字量信號(hào),同時(shí)通過(guò)DMA(直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))將各個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)高速保存至程序數(shù)據(jù)接口,通過(guò)數(shù)據(jù)匹配,若采集信號(hào)發(fā)生變化,則將采集信號(hào)發(fā)往上位機(jī)。

AI測(cè)試時(shí),測(cè)試軟件令5號(hào)AO端口輸出18.4 mA電流信號(hào),對(duì)應(yīng)數(shù)字量為230,由5號(hào)AI端口以一定周期采集信號(hào),采集電流信號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)字量為230。圖20中反映出AI端口準(zhǔn)確完成模擬量采集;圖21反映出,測(cè)試軟件以17.82 ms的數(shù)據(jù)刷新間隔均值接收到AI采集信號(hào),表明分布式處理單元以約0.36 ms的采樣周期完成模擬量信號(hào)采集。

圖21 AI測(cè)試數(shù)據(jù)刷新間隔值

5.6 實(shí)際應(yīng)用

首先將DPU安裝至“中海大西洋輪”輪機(jī)模擬器半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,將DPU各功能模塊與半實(shí)物仿真模塊可靠連接;再通過(guò)以太網(wǎng),將輪機(jī)模擬器二維、三維上位機(jī)仿真系統(tǒng)與下位機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行通信組網(wǎng),并運(yùn)行上位機(jī)。以半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的集控臺(tái)3為例,實(shí)際運(yùn)行效果如圖22-圖25所示。

圖22 DPU裝配圖與半實(shí)物集控臺(tái)3

圖23 集控臺(tái)3二維仿真界面

圖24 集控臺(tái)3三維仿真界面1

圖25 集控臺(tái)3三維仿真界面2

可以看出,半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,集控臺(tái)3的1-9號(hào)模塊狀態(tài)均與上位機(jī)二維、三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同步。其中1-9號(hào)模塊分別為集控臺(tái)電源指示、輔鍋爐運(yùn)行狀態(tài)指示、報(bào)警燈柱指示、舵機(jī)系統(tǒng)指示、輔鍋爐應(yīng)急停止按鈕、空氣瓶壓力表、輔鍋爐和廢氣鍋爐蒸汽壓力與水位表、死人報(bào)警系統(tǒng)、空壓機(jī)遙控面板。

5.7 實(shí)際應(yīng)用通信數(shù)據(jù)分析

由于輪機(jī)模擬器仿真系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)可視化功能,因此采用以太網(wǎng)抓包軟件Wireshark作為第三方軟件,對(duì)通信數(shù)據(jù)可靠性與實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析,指定抓取集控臺(tái)3中裝配的兩塊IP分別為172.18.137.201、172.18.137.202的DPU、處于另一裝配點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)AI的IP為172.18.137.207的DPU的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,以及IP為172.18.137.31的上位機(jī)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,部分?jǐn)?shù)據(jù)包解析如表2所示。完成DO、DI功能時(shí),為提高傳輸效率,協(xié)議封裝時(shí),對(duì)不具備控制效益的高字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行省略、低字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行保留,以便識(shí)別數(shù)字量輸出與采集的具體通道。

表2 實(shí)際應(yīng)用中部分?jǐn)?shù)據(jù)包解析表

由表2可知,DO和AO應(yīng)答間隔時(shí)間分別為14.4 ms和3.6 ms,均與前述所測(cè)應(yīng)答間隔時(shí)間較為接近。DI開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化最小間隔值為19 ms,小于前述所測(cè)DI周期變化間隔,即DPU已完成較快變化頻率的DI功能。AI數(shù)據(jù)刷新間隔約18 ms,與前述所測(cè)AI刷新間隔較為接近。且上位機(jī)與DPU之間的傳輸數(shù)據(jù)均正確反映集控臺(tái)3當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 本文通過(guò)分析DPU在輪機(jī)模擬器仿真系統(tǒng)中的功能,研究設(shè)計(jì)DPU的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu),并完成DPU從硬件到軟件的開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了輪機(jī)模擬器的分布式處理單元。

2) 通過(guò)對(duì)分布式處理單元各功能模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的分布式處理單元各功能模塊具有較好的可靠性與實(shí)時(shí)性。

3) 通過(guò)將DPU裝配至輪機(jī)模擬器的半實(shí)物仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)與上位機(jī)二維、三維仿真系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)同步。

4) 本文所設(shè)計(jì)的分布式處理單元具有較高通用性,可完成數(shù)字量的輸出和采集以及模擬量的輸出和采集,并統(tǒng)一了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信協(xié)議,解決了由于下位機(jī)設(shè)備繁多、下位機(jī)與上位機(jī)通信協(xié)議不統(tǒng)一,造成上位機(jī)仿真模型開(kāi)發(fā)難度較大的難題。