某激光系統串行總線通信性能測試系統設計

武 劍

（天津核工業理化工程研究院激光技術研究所 天津 300171）

1 引言

集中監控系統與底層設備在采用串行總線鏈路連接時，通信數據在傳輸過程中難免出現競爭、沖突、丟包等現象，影響整個監控系統的可靠性。

究其原因，主要有以下幾方面：

（1）監控計算機運行系統不穩定；

（2）串行設備本身通信功能和控制機制不穩定；

（3）通信鏈路受外界環境干擾導致通信系統不穩定；

（4）端口上掛接的串行設備超載而導致信號驅動不足。

目前，激光工藝系統中的部分設備如固體激光器、染料泵等設備與集中監控系統即采用串行總線通信鏈路連接。

本文建立了一套激光系統串行總線通信性能測試系統，可以對激光系統現有主工藝系統所有串行接口設備進行通信性能測試，并可對新研制的主工藝串行接口設備進行系統實驗的通信測試與監控功能檢驗，從而保證監控網絡高速、準確無誤地運行，提升激光系統集中監控系統的可靠性，為激光工藝系統的工程化應用創造條件。

2 系統組成和設計要求

2.1 系統組成

激光系統串行總線通信性能測試系統，由串行總線通信性能測試軟件和串行總線通信模擬控制裝置組成，測試軟件和模擬控制裝置之間采用串行總線連接。

串行總線通信性能測試軟件為多對象模塊上位機通信測試軟件[1]，安裝于上位機平臺。以對象選擇的方式打開測試系統，進行不同串行設備的通信連接，可以對激光主工藝系統所有串行接口設備的通信性能進行測試，上位機軟件主要實現通信協議的分析與計數，計算指令與數據之間的傳輸時間等功能。

串行總線通信模擬控制裝置可針對通信協議不同的設備進行簡單配置和人機接口顯示，以滿足多種協議設備的模擬需要。

2.2 設計要求

激光系統串行總線通信性能測試系統具有測試以下不同串口通信協議工藝設備的通信性能及功能：固體激光器串行接口設備、染料泵串行接口設備。具體設計要求如下：

2.2.1 串行總線通信性能測試軟件要求

（1）根據不同串行接口協議設備的控制要求，以對象選擇的模式進入相應設備的測試界面。

（2）實現對通信協議不同的串行總線通信模擬控制裝置的參數監測與顯示。

（3）實現對通信協議不同的串行總線通信模擬控制裝置的遠程控制，包括參數設置、開關機控制。

（4）實現測試并分析通信協議不同的串行總線指令協議幀收發情況，包括對指令幀與數據幀的計數、分析、對比，對數據幀的誤碼、丟碼現象進行統計和分析，并分析計算和顯示指令幀與數據幀的響應時間[2]。

（5）不同設備的軟件界面設計，以各自監控的參數不同而各有差異，但協議分析中的指令幀、數據幀顯示與計數、響應時間功能相同。

2.2.2 你串行總線通信模擬控制裝置要求

（1）采用觸摸屏人機交互接口形式，選擇不同協議對象，進行監測參數的顯示與控制功能的輸入。

（2）實現對本裝置對應接受和發送的指令幀、數據幀進行統計計數、對比和顯示，對接收的指令幀進行誤碼、丟碼分析。

（3）研發的串行總線通信模擬控制裝置上，設計4實時硬件串口，進行串行數據的中斷收發。

2.2.3 串行總線通信性能測試實驗要求

（1）根據激光系統主工藝單鏈系統規模，擬在總線鏈路上鏈接10個串行總線通信模擬控制裝置，組建模擬測試系統。

（2）配置一臺計算機，運行串行總線通信性能測試軟件。

3 系統設計

3.1 串行總線通信性能測試軟件設計

采用VisualBasic6.0軟件平臺開發串行總線通信性能測試軟件。實現對固體激光器系統、染料泵系統的串行總線通信性能分析，具體功能為：

（1）發送指令幀顯示及計數；

（2）發送指令響應時間計算與顯示；

（3）接收指令幀顯示及計數；

（4）正確接收計數與錯誤接收計數統計；

（5）控制與監測參數顯示；

（6）控制基本操作。

測試軟件的功能界面設計參考現有設備集控平臺軟件，以方便操作人員使用。在此基礎上，增加明顯的協議分析技術顯示及指令與數據之間的響應時間，并將監測參數通過ModbusTCP協議進行InterNET數據上傳。

以染料泵系統為例，其對應通信測試軟件界面如圖1所示。

圖1 染料泵系統通信測試軟件界面

標題欄下方為通信指令顯示區域，設備測試區域采用模塊化設計，單模塊顯示對應設備通信指令統計數量以及響應時間。

點擊“啟動測試”按鈕，進行上位機監控軟件與模擬測試裝置或現場實際工藝系統進行通信性能測試，開始啟動協議測試。點擊“計數清零”，將協議分析的發送指令幀計數、接收指令幀計數復位為0。

3.2 串行總線通信模擬控制裝置設計

采用單指令周期微處理器硬件開發串行總線通信模擬控制裝置，主要模擬對象為固體激光器設備及染料泵設備。其中，固體激光器設備模擬參數有電流、電壓、功率等。染料泵設備模擬參數有頻率、壓力、溫度等。

串行總線通信模擬控制裝置采用標準4U機箱設計，將控制板和觸摸屏進行集成，便于實驗室機柜安裝與使用操作。圖2為模擬測試裝置照片。

圖2 模擬測試裝置

模擬控制裝置內部采用4串口片上實時系統進行設計，完成本地模擬數據的計算、分析、顯示。其內部架構示意圖如圖3所示。

圖3 串行總線通信控制裝置內部架構示意圖

其中，核心單元為單片機，完成與測試平臺的串行總線通信以及觸摸拼控制數據的接收與輸出。其線路連接為：

（1）用4芯雙絞線將10個串行總線通信控制性能測試模擬裝置的RS422口相互串并聯連接到PC機COM端口。

（2）將串行總線通信控制性能測試模擬裝置的RS485串行端口用雙絞線連接到PC機另一通信COM上，進行通信指令監測。

（3）用AC220 V電源線連接AC220 V供電電源。

觸摸屏人機接口設計，采用7英寸觸摸屏設計，其功能顯示單片機中心模擬生成的各項參數以及指令幀與數據幀的統計顯示與響應時間。

4 系統測試

應用激光系統串行總線通信性能測試系統測試激光工藝系統串行總線設備的可靠性，主要分為在模擬裝置上的模擬測試與在現有工藝系統上的應用測試。

4.1 模擬測試

模擬測試選取串行總線模擬裝置的染料泵系統作為測試對象，采用目前監控系統中主工藝串行總線形式進行架構連接，主要測試操作響應時間、通信容錯能力以及長時間發送數據和接收數據的準確性。同時，測試還能考核4串口實時系統的穩定性和可靠性。

模擬測試測試時長100 h，記錄測試數據。取5臺染料泵模擬設備的各9組數據記錄于表1。

表1 模擬測試數據記錄表

測試結果表明：

2)發送、接收數據數量對應，通信數據準確無誤，錯誤數據為0；

3)系統操作相應時間基本維持在31～32 ms。

4.2 應用測試

應用測試選取固體激光器實際工藝設備作為測試對象。將在系統應用的串行接口集控平臺軟件，替換為串行總線控制性能測試軟件，測試操作響應時間、通信容錯能力以及長時間發送數據和接收數據的準確性。

表2 應用測試數據記錄表

測試結果表明：

（1）在應用測試系統100 h長時間運行過程中，通信性能測試軟件和固體激光器設備的通信正常；

（2）發送、接收數據數量對應，通信數據準確無誤，錯誤數據為0；

（3）系統操作相應時間基本維持在15～16 ms。

5 結語

本文針對激光系統集中監控系統與部分底層工藝設備的串行總線通信鏈路設計并開發完成了一套串行總線通信性能測試系統[3]。總結如下：

（1）激光系統串行總線通信性能測試系統的建立滿足設計要求。串行總線通信性能測試軟件和串行總線通信模擬控制裝置可以對現有激光主工藝系統串行接口設備進行通信性能測試，并可對新研制的主工藝串行接口設備進行系統實驗的通信測試與監控功能檢驗，在實際使用中功能正常，穩定可靠。

（2）系統順利完成了100 h的模擬測試和應用測試實驗。實驗結果表明，現有激光工藝系統架構的串口通信鏈路性能良好，準確性、穩定性和實時性能夠滿足應用需要。

（3）除串行總線外，激光系統部分工藝設備采用工業以太網總線與集中監控系統進行鏈路通信，下一步有必要進行以太網總線通信性能測試系統的搭建，為工藝系統的工程化應用可行性提供測試依據。