集群設(shè)備最少布線控制傳輸方法

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(wèn)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(kāi)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(wèn)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(méi)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)插口E接入單路CU電源線PWL，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程

參考圖2，設(shè)備控制及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)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(guò)程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)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(guò)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(guò)程是，通過(guò)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(guò)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(guò)程是：通過(guò)以太網(wǎng)控制器接收各控制單元CU發(fā)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)主網(wǎng)絡(luò)，來(lái)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(yǔ)

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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)極大地簡(jiǎn)化，并會(huì)

第7期 宮向陽(yáng)：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