遠(yuǎn)程實驗中的多功能中繼器的研制

潘 廣, 黃國輝, 姜周曙

(杭州電子科技大學(xué) 能量利用系統(tǒng)與控制研究所, 浙江 杭州 310018)

近幾年,國內(nèi)高校實驗室建設(shè)投入巨大,取得了豐碩的成果,但是在傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)的實際應(yīng)用中還存在一些問題,例如缺少對實驗室現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理。因此,有必要設(shè)計一套應(yīng)用于遠(yuǎn)程實驗的多功能中繼器,將實驗室現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心,便于實時了解實驗室情況,分析和評價實驗系統(tǒng)的效率和效益。

本文提出了一種以自主研發(fā)的三容水箱實驗臺為對象、內(nèi)嵌uCos-ii實時操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實驗多功能中繼器。uCos-ii系統(tǒng)以線程為基本單位進(jìn)行工作,很好地對系統(tǒng)資源和多線程進(jìn)行管理,應(yīng)用也更加靈活,能夠滿足開放性實驗對實時性與可靠性的要求。

1 總體方案設(shè)計

多功能中繼器主控制模塊采用基于ARM內(nèi)核的高性能處理器作為處理芯片,內(nèi)嵌uCos-ii嵌入式實時操作系統(tǒng)和FatFs文件系統(tǒng)。如圖1所示,系統(tǒng)硬件電路分為中繼器和采集控制模塊兩部分。中繼器主要由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、RS485通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、SD卡本地存儲模塊等構(gòu)成[1]。三容水箱采集控制模塊的核心部分為A/D采樣電路,輔以外圍隔離、濾波與放大電路模塊。硬件電路采用模塊化設(shè)計思想,既能提高硬件電路的整體可靠性,也便于硬件電路的維護(hù)和升級。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

穩(wěn)定、可靠的電源模塊是多功能中繼器正常工作的必要前提。在進(jìn)行電源模塊的設(shè)計時,需重點考慮電壓、功率和數(shù)模隔離。

電壓的穩(wěn)定可靠是有源器件工作的必要條件。作為數(shù)模轉(zhuǎn)換的參考基準(zhǔn),電壓是否穩(wěn)定將直接影響采集精度。采用24 V—5 V—3.3 V三級降壓模式,其中24 V—5 V采用LM2575集成穩(wěn)壓電路，5V—3.3 V采用LM1117集成穩(wěn)壓電路，最大限度地確保穩(wěn)壓值偏差較小[2]。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

對于功率匹配的設(shè)計,首先需要分析所有有源器件的工作功率,按照瞬時最大工作電流求得有源器件瞬時最大工作功率,再給予部分冗余和考慮電源轉(zhuǎn)換效率等因素。

硬件電路中數(shù)字電路在電平轉(zhuǎn)折處近似于突變,造成電壓和電流變化速率快,易對模擬電路產(chǎn)生影響。因此,將隔離元件(磁珠、電容、電感、0 Ω電阻)單點接地,使模擬電路和數(shù)字電路相互隔離。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

選用ARM Cortex-M3內(nèi)核的stm32f103vet6系列處理器芯片作為主控制芯片。該芯片具有高主頻、低功耗、資源豐富等優(yōu)點,并且具有多種外部設(shè)備接口,方便外圍硬件模塊的設(shè)計,也為嵌入uCos-ii實時操作系統(tǒng)與FatFs文件系統(tǒng)提供了硬件平臺。

最小系統(tǒng)主要由時鐘源電路、啟動模式選擇引腳、復(fù)位電路、下載仿真電路和RTC鐘源組成。其電原理圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路圖

2.3 RS485通信模塊

數(shù)據(jù)中繼器有2個RS485總線接口,通過接口與現(xiàn)場多臺數(shù)據(jù)采集器串行通信。本文選用隔離型RS485收發(fā)器ADM2483作為通信芯片,降低了硬件電路設(shè)計難度,提高了硬件電路的安全性。為達(dá)到最佳數(shù)據(jù)通信效果,在ADM2483的通信端口之間接入匹配電阻R,匹配電阻R主要用于匹配傳輸線的特性阻抗,阻止高速差分電信號在傳輸線中反射[3]。RS485普遍采用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,因此,選用120 Ω電阻作為RS485傳輸總線的終端并聯(lián)匹配電阻。通信模塊電路如圖3所示。

圖3 RS485通信模塊電路圖

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊集成無線GPRS網(wǎng)絡(luò)通信和有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信兩種通信方式,適用于不同的應(yīng)用場合。有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信選用Boccn公司的W5100以太網(wǎng)接口芯片,芯片內(nèi)部采用硬件邏輯電路實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧,有效降低主控制芯片的處理負(fù)擔(dān)。片內(nèi)集成100 Mbit/s以太網(wǎng)控制器,能降低實時通信網(wǎng)絡(luò)延時、提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性,滿足遠(yuǎn)程控制實驗的實時性要求[4]。

2.5 采集控制模塊

采集控制模塊是指底層數(shù)據(jù)采集板(又稱為下位機(jī)),以ADμC834單片機(jī)為核心控制器,其外圍電路的設(shè)計如圖4所示。采集控制模塊通過傳感器采集液位、溫度、壓力等模擬量并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,最后把數(shù)字量按字節(jié)發(fā)送給中繼器。底層采集板通過RS485串口設(shè)備與中繼器通信,中繼器連接上位機(jī),根據(jù)實驗類型選擇控制算法,將控制信號通過中繼器轉(zhuǎn)發(fā)至下位機(jī)并實時發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令,實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控[5]。下位機(jī)在接收到中繼器的指令后進(jìn)行分析并作出響應(yīng)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件整體架構(gòu)

為滿足上位機(jī)與底層采集板間的高實時性數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?中繼器不僅在硬件設(shè)計上使用高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核芯片,而且在主控制芯片內(nèi)移植嵌入uCos-ii系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)線程的管理與實時調(diào)度[6]。同時,系統(tǒng)還移植嵌入FatFs文件系統(tǒng)[7],方便在上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)查看。

圖4 采集控制模塊電路圖

系統(tǒng)上電啟動后,其初始化工作是首要工作。初始化包括系統(tǒng)變量初始化,uCos-ii實時操作系統(tǒng)初始化,相關(guān)消息隊列、信號量集以及信號量初始化,MCU外設(shè)初始化和動態(tài)內(nèi)存管理初始化。系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸是通過數(shù)據(jù)接收線程和數(shù)據(jù)發(fā)送線程來完成的。為保證數(shù)據(jù)的安全,中繼器的數(shù)據(jù)包均采用AES(advanced encryption standard)加密算法加密,再傳輸給數(shù)據(jù)中心服務(wù)器；而數(shù)據(jù)中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包,中繼器通過解密、過濾,再將數(shù)據(jù)發(fā)送給采集控制板進(jìn)行控制。在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計中,通信協(xié)議是準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾Ｕ稀Ｔ搮f(xié)議在遵循數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下,結(jié)合本系統(tǒng)的需求進(jìn)行設(shè)計。數(shù)據(jù)包由起始符、時間戳、包編號、包體長度、中繼器編號、數(shù)據(jù)類型、包體和校驗位組成。起始符為固定的“@@”,表示數(shù)據(jù)包的開始；包體長度為4字節(jié),是除起始符和校驗位外的總長度[8]。請求數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 請求數(shù)據(jù)包格式

注:數(shù)據(jù)類型的具體定義如下:0—連接請求；1—身份驗證；2—驗證實驗臺開關(guān)；3—實驗數(shù)據(jù)；A—心跳包數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型,上位機(jī)可以顯示實驗臺是空閑,還是進(jìn)行實驗中?？刂浦噶顢?shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)類型為固定值“K”,格式與請求數(shù)據(jù)包完全一樣,而包體內(nèi)寫明具體的控制指令,如采集溫度、控制水箱液位等。

3.3 心跳?；钤O(shè)計

為了保證及時、有效地檢測到一方的非正常斷開,保證連接的資源被有效利用,保活機(jī)制就成為必要[9]。通常有兩種保活處理方式:(1)利用TCP協(xié)議層實現(xiàn)的Keepalive；(2)自己在應(yīng)用層實現(xiàn)心跳包。由于應(yīng)用層實現(xiàn)心跳包具有很好的靈活性,本系統(tǒng)選用該種方法來保證實驗的實時有效性。心跳包數(shù)據(jù)以固定時間間隔發(fā)送,判斷正確的回復(fù),確定網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。

4 功能實現(xiàn)

4.1 遠(yuǎn)程實驗實現(xiàn)

實驗用戶進(jìn)入登錄界面,發(fā)送建立連接的請求。上位機(jī)啟動后一直在等待接收中繼器的請求信號,建立會話連接。當(dāng)連接成功后,中繼器將向多臺下位機(jī)發(fā)送驗證實驗臺開關(guān)數(shù)據(jù),驗證成功后,開始進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗。

實驗開始時,上位機(jī)把用戶設(shè)置的實驗參數(shù)及控制指令發(fā)送到中繼器,進(jìn)行解析處理后發(fā)送到對應(yīng)的實驗臺進(jìn)行實驗；下位機(jī)則根據(jù)實驗類型進(jìn)行相應(yīng)的操作,通過串口與采集控制板進(jìn)行通信。下位機(jī)會實時把液位、溫度、流量、壓力等信息通過串口發(fā)給服務(wù)器端,并把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。在另外一個線程中,通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給客戶機(jī)并以flash的方式顯示給用戶,如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程實驗flash效果圖

通過中繼器能夠有效地利用計算機(jī)資源來進(jìn)行更多的實驗,不僅節(jié)約成本,而且方便管理,使遠(yuǎn)程實驗更加有序的進(jìn)行[10]。

4.2 算法實現(xiàn)

利用良好的硬件平臺和uCos-ii實時操作系統(tǒng),將模糊自適應(yīng)PID控制算法嵌入到中繼器中,不僅能夠避免每臺上位機(jī)都進(jìn)行Matlab編程,而且使遠(yuǎn)程實驗更加準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行。中繼器接收到上位機(jī)的Kp、Ki、Kd值,對眾多實驗臺進(jìn)行模糊自適應(yīng)PID控制[11],將得到精準(zhǔn)值再轉(zhuǎn)發(fā)給下位機(jī),控制三容水箱實驗臺進(jìn)行實驗,二階液位控制運行效果圖如圖7所示。

圖7 二階液位控制運行效果圖

部分程序如下:

/*******模糊規(guī)則表*********/

int kp[7][7]={{PB,PB,PM,PM,PS,ZO,ZO},

{PB,PB,PM,PS,PS,ZO,ZO},

{PM,PM,PM,PS,ZO,NS,NS},

{PM,PM,PS,ZO,NS,NM,NM},

{PS,PS,ZO,NS,NS,NM,NM},

{PS,ZO,NS,NM,NM,NM,NB},

{ZO,ZO,NM,NM,NM,NB,NB}};

/****模糊推理規(guī)則的可信度*****/

float form[7][7];

int i,j;

for(i=0;i<7;i++)

{

float w,h,r;

for(j=0;j<7;j++)

{ h=es[i];

r=ecs[j];

w=fand(h,r);

form[i][j]=w;

}

}

/**求得的最大值賦給form[a][b]**/

int a=0,b=0;

for(i=0;i<7;i++)

{

for(j=0;j<7;j++)

{

if(form[a][b]

{

a=i; b=j;

}

}

}

5 結(jié)語

遠(yuǎn)程實驗是開放實驗室的重要組成部分,而中繼器又是遠(yuǎn)程實驗不可或缺的[12]。以stm32f103vet6為主控制芯片設(shè)計的基于uCos-ii的多功能中繼器不僅能夠完成遠(yuǎn)程實驗,而且嵌入了模糊自適應(yīng)PID控制算法,實時性更強(qiáng)、實驗效果更佳。目前,該多功能中繼器在以三容水箱為控制對象的實驗室中取得了良好效果,并成為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)核心部分。

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