基于CODESYS與ARM的車輛組態(tài)系統(tǒng)可視化界面通用方案設(shè)計

姜俊彤，李 鴻，曾周煜東

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙410114）

以傳統(tǒng)PLC（可編程控制器件）硬件與上層專用開發(fā)軟件為基礎(chǔ)的開發(fā)平臺因其在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用下具有運行穩(wěn)定性高、組態(tài)靈活、開發(fā)環(huán)境友好等優(yōu)點［1］，所以廣泛存在于各類工控領(lǐng)域中。然而自傳統(tǒng)PLC誕生以來，由于系統(tǒng)硬件都是基于特定解決方案設(shè)計的，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的開發(fā)平臺存在硬件體系不兼容、編程語言與指令系統(tǒng)各異、體系結(jié)構(gòu)封閉等缺點，難以適應(yīng)日漸復(fù)雜變化在車輛組態(tài)系統(tǒng)可視化界面開發(fā)方面的市場需求［2］。

近些年來如文獻(xiàn)［3-6］中的眾多學(xué)者等都對列車可視化界面通用平臺的問題進(jìn)行研究，并提出在ARM為內(nèi)核的CPU中運行l(wèi)inux操作系統(tǒng)作為解決方案。但存在著諸如非專業(yè)編程人員難以熟悉該系統(tǒng)的問題；系統(tǒng)本身是分時操作系統(tǒng)，在實時性上難以滿足IEC（國際電工院委員會）標(biāo)準(zhǔn)等問題。基于上述問題，提出一種基于ARM與MVB（多功能車輛總線）通信實現(xiàn)的軟PLC可視化界面通用平臺設(shè)計。闡述通用平臺系統(tǒng)運行機(jī)制，并基于此硬件平臺提出CODESYS通用編程框架，最后以深圳某線HMI（人機(jī)交互）屏項目為試驗對象對平臺性能進(jìn)行測試。

1 系統(tǒng)整體框架

文中提出的以PLC軟核為核心的通用平臺系統(tǒng)如圖1所示，分為3個模塊：IO信號處理模塊、車載信號邏輯處理模塊、列車組態(tài)界面顯示模塊。具體工作流程為IO處理模塊對列車信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)流通過MVB與車載信號邏輯處理模塊進(jìn)行交互；在車載邏輯信號處理模塊中移植CODESYS內(nèi)核引擎使其CPU上運行的Vxworks實時操作系統(tǒng)能執(zhí)行通過TCP/IP傳輸?shù)纳蠈泳幾g文件，并通過XML配置文件進(jìn)行IO地址映射達(dá)到共用內(nèi)存的目的；在列車組態(tài)界面顯示模塊中移植CODESYS內(nèi)核引擎使其CPU上運行的Linux分時操作系統(tǒng)能夠運行上層圖形化開發(fā)界面的編譯文件，通過觸發(fā)中斷更新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的方式滿足人機(jī)交互的需求。

圖1 系統(tǒng)整體框架

基于通用平臺設(shè)計低耦合、高穩(wěn)定、易于移植的要求，將列車信號處理、圖形化界面顯示、數(shù)據(jù)流處理分別在IMX.6、S3C2440、stm32F407三款CPU上運行。并基于實際需求與操作系統(tǒng)的優(yōu)勢分別選擇了實時性具有明顯優(yōu)勢的Vxworks操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車復(fù)雜邏輯處理、界面運行穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)界面顯示、高效經(jīng)濟(jì)的裸機(jī)操作系統(tǒng)對IO信號進(jìn)行預(yù)處理。在程序運行復(fù)雜度和耦合度指標(biāo)上，實現(xiàn)從θ(i+j+n)到θi+θj+θn的轉(zhuǎn)換。

為滿足列車車載設(shè)備安全穩(wěn)定的要求，其中IO板卡信號配合雙冗余電源，信號處理全部采取基于FPGA的1oo2D結(jié)構(gòu)，DI、AI信號經(jīng)過濾波處理電路輸入處理進(jìn)入IO板卡，并通過內(nèi)置FPGA對雙冗余的輸入輸出信號進(jìn)行判斷，若信號判斷正常則對外進(jìn)行輸入輸出操作，如圖2所示。通過模糊故障樹對其1oo2D結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算：理論危險未檢測到的共因失效率為λduc=βλdu、一般失效率為λduc=(1-β)λdu。1oo2D結(jié)構(gòu)要求時失效概率近似計算公式為PFD1oo2D=λduc×TI+(λdun×TI)2，將三角模糊數(shù)的概念帶入底故障事件，頂事件的發(fā)生模糊概率為

圖2 IO處理板

而平均失效概率PFDavg等于運行時間上危險失效PFD概率平均值。

假設(shè)元件失效率在生命周期內(nèi)保持不變，根據(jù)內(nèi)部試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計將共因失效系數(shù)取β=0.03，根據(jù)列車運行設(shè)備真實檢修周期將周期系數(shù)取為0.5α，最終計算出設(shè)備0.5α的PFDavg的模糊數(shù)為滿足IEC 61508下 的SIL2等 級 的（1.147×10-3，1.508×10-3，2.169×10-3）。

由此提出的可視化界面通用平臺具有信號系統(tǒng)處理效率高、IO信號安全、車載硬件平臺擴(kuò)展性與適應(yīng)性高的優(yōu)點，能夠滿足不同項目之間數(shù)據(jù)流、通信方式、IO配置、硬件平臺差異化的需求。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計如圖3所示：該平臺主芯片運行Vxworks與Linux雙系統(tǒng)、TCNS協(xié)議棧軟件與內(nèi)置CODESYS-runtime引擎，其中Vxworks是滿足工業(yè)系統(tǒng)要求的實時操作系統(tǒng)。模塊的主CPU為IMX.6Q控制器，該芯片采用A9內(nèi)核，為4核高性能處理器。最高主頻率可達(dá)1.2 GHz，并帶有1 GBit/s以太網(wǎng)口，多路SPI/UART/CAN等通信接口，完全滿足列車工控產(chǎn)品的需求。

圖3 硬件系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)的通用外圍電路包括：由外部晶振提供的系統(tǒng)時鐘、看門狗刷新、程序儲存與運行、MVB控制器、串口及以太網(wǎng)等通信接口組成。其中看門狗刷新由看門狗芯片與系統(tǒng)時鐘實現(xiàn)，在規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)軟件運行正常執(zhí)行喂狗操作，否則看門狗發(fā)出復(fù)位信號程序重新啟動。程序儲存與運行電路包括SDRAM、FLASH等，對上電后與系統(tǒng)運行的程序、數(shù)據(jù)、配置文件進(jìn)行儲存。RS232接口提供后期產(chǎn)品運行階段調(diào)試與更新新版本程序功能。以太網(wǎng)提供與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信的擴(kuò)展要求，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)運行在操作系統(tǒng)上的CODESYS-runtime內(nèi)核引擎與上層開發(fā)軟件的編譯信息交互功能。MVB協(xié)議控制器滿足板卡模塊間的MVB通信需求。

2.2 MVB檢測系統(tǒng)

MVB檢測系統(tǒng)主芯片選用ALTERA公司的Cyclone IV系列FPGA作為核心，并選用MAX3292作為MVB數(shù)據(jù)的采樣芯片，如圖4所示。該系統(tǒng)主要完成波形分析與數(shù)據(jù)分析功能。波形分析通過采樣電路完成波形提取與特征值信息的采集，包括：穩(wěn)態(tài)電平幅值、過零點斜率、幀電平信息等，然后將提出的MVB波形特征值與IEC 61375-3-1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)分析模塊是對MVB數(shù)據(jù)的總線負(fù)載率、從幀數(shù)量、誤碼率等進(jìn)行判斷，判斷成功之后，將雙路IO信號輸出至IO板卡的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，若校驗成功則輸出其中一路IO信號通過MVB進(jìn)入車載處理系統(tǒng)。

圖4 MVB檢測系統(tǒng)

MVB通信模塊選用基于ALTERA公司的Cy?clone IV系列FPGA作為核心，并以SPI時序與外界通信。為了滿足MVB通信模塊對于電壓穩(wěn)定性的要求，需在外圍增加由磁珠與電容構(gòu)成的電源正極濾波電路，從而達(dá)到減少電源波動與波紋的作用。

2.3 MVB總線收發(fā)電路

MVB總線收發(fā)電路如圖5所示，選用MAXIM公司的RS485收發(fā)芯片MAX3292，采樣頻率高達(dá)10 MBPS，滿足對于MVB檢測采樣的速率要求。由于MVB總線為差分信號，故需在輸入電路的前端增加差分轉(zhuǎn)單端電路，并增加濾波、穩(wěn)壓電路對輸入信號進(jìn)行處理。

圖5 MVB總線收發(fā)電路

3 軟件設(shè)計架構(gòu)

3.1 軟件整體

通用平臺結(jié)構(gòu)設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體軟件架構(gòu)主要由3部分組成：上層環(huán)境應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)的邏輯處理以及過程數(shù)據(jù)的MVB傳輸，如圖6所示。

圖6 軟件整體架構(gòu)

除了總線化管理與網(wǎng)絡(luò)通信外，CODESYS編程環(huán)境最重要的是對工控對象進(jìn)行圖形化流程編程。在通用平臺內(nèi)部的CPU中嵌入CODESYS的Runtime引擎負(fù)責(zé)對上層編程環(huán)境中的任務(wù)與命令進(jìn)行解釋。CODESYS圖形化編程的5種編程語言均滿足IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［7］，分別為：ST結(jié)構(gòu)化文本編程、FBD功能塊圖編程、CFC順序功能圖編程、CFC順序功能塊編程、LD梯形邏輯圖編程，編程人員可根據(jù)實際項目要求選用方便快捷、符合編程邏輯的語言解決問題［8］。同時CODESYS環(huán)境也支持離線仿真、在線調(diào)試的功能，既可以將本身的PC端看做是運行設(shè)備進(jìn)行仿真，也可以在線對程序運行變量進(jìn)行監(jiān)控、強(qiáng)制修改，具有開發(fā)環(huán)境友好、開發(fā)效率高、開發(fā)項目靈活多變的優(yōu)點。

通過CODESYS軟件，用戶進(jìn)行符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的語言對組態(tài)可視化界面開發(fā)之后，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)下載進(jìn)通用平臺中，通用平臺的Run?time引擎對于上層任務(wù)進(jìn)行解釋并且執(zhí)行。可視化界面相關(guān)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)映射與通用平臺共享同一片內(nèi)存，通過MVB過程數(shù)據(jù)應(yīng)用接口與外圍的IO板卡進(jìn)行車載數(shù)據(jù)通信。

3.2 CODESYS軟件架構(gòu)

CODESYS可視化界面編程通用架構(gòu)主要分為：IODRV映射、GVL結(jié)構(gòu)體、FB通用功能塊、PRG程序、Task任務(wù)、ImagPool圖形池、Visualzation可視化編程等7個部分組成，如圖7所示。

圖7 CODESYS軟件架構(gòu)

其中IODRV與通用平臺共享同一片內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用戶可根據(jù)實際項目數(shù)據(jù)流對其進(jìn)行修改；GVL定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在上層環(huán)境地址中對MVB數(shù)據(jù)流輸出與獲取，并且對可視化界面需求的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義；FB通用功能塊封裝通用的數(shù)據(jù)處理過程，將MVB數(shù)據(jù)流與可視化界面需求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來；PRG程序調(diào)用FB通用功能塊與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成任務(wù)調(diào)度下的子程序［9］；Task任務(wù)為滿足MVB通信與項目的周期需求，對子程序進(jìn)行調(diào)度；ImagPool圖形池對CODESYS編程環(huán)境嵌入JPG圖形，使其成為可視化界面的編程元素庫；Visualzation在已有的元素庫的支持下，對列車組態(tài)化可視化界面進(jìn)行設(shè)計，并將其中圖形化元素的變化與Visualzation_PRG的變量相關(guān)聯(lián)。整套可視化界面開發(fā)軟件架構(gòu)具有耦合度低、移植性高、調(diào)試難度低等優(yōu)點，符合車輛組態(tài)系統(tǒng)可視化界面開發(fā)靈活多變的需求。

4 系統(tǒng)仿真

以自主研發(fā)的基于通用平臺的深圳某線列車可視化界面和MVB陪測設(shè)備已經(jīng)完成模擬真實列車運行環(huán)境下的仿真試驗與設(shè)備型式試驗。因整體項目可視化界面試驗項目較復(fù)雜，難以闡述清晰，僅以運行主界面為例，設(shè)備外觀設(shè)計如圖8所示（單位：mm），仿真運行效果如圖9所示。

圖8 設(shè)備尺寸圖

圖9 主界面運行圖

基于CODESYS環(huán)境運行的主界面通過與外界進(jìn)行MVB通信，可靈活顯示列車車輛各子系統(tǒng)狀態(tài)信息；對當(dāng)前接入基于MVB總線的列車網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，從而對列車設(shè)備故障及時響應(yīng)；方便完成對列車網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)信息的設(shè)置，例如需要設(shè)置當(dāng)前運行模式的空調(diào)子系統(tǒng)以及列車運行線路信息等。由于CODESYS編程完全符合IEC 61131-3的國際標(biāo)準(zhǔn)，并且配有實時操作系統(tǒng)的硬件平臺支撐，所以在此基礎(chǔ)上開發(fā)的車輛組態(tài)可視化界面除了功能完善，還具有運行穩(wěn)定、操作響應(yīng)迅速等優(yōu)點。由于在最初的軟件架構(gòu)上即具有低耦合、易移植、模塊化的特點，既能大大加快排除程序故障的時間，又能使開發(fā)者在進(jìn)行不同項目之間移植的過程中，可根據(jù)需求在圖形池的支持下靈活地對可視化界面進(jìn)行修改與二次開發(fā)，從而大大加快開發(fā)效率。

5 結(jié)語

在CODESYS軟件平臺上模擬實現(xiàn)了軌道車輛的系統(tǒng)視圖界面，通過模擬運行證明，該界面較好地實現(xiàn)了軌道車輛的各項實際功能，并具有運行穩(wěn)定、操作響應(yīng)快速的優(yōu)點。選用CODESYS軟件，可以靈活多變的配置可視化界面，大大地加快了界面設(shè)計開發(fā)在界面設(shè)計開發(fā)的效率。同時也完成對底層數(shù)據(jù)通信和硬件平臺支撐的整體設(shè)計，實現(xiàn)了整套可視化界面開發(fā)通用系統(tǒng)方案。