某激光系統(tǒng)串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武 劍

（天津核工業(yè)理化工程研究院激光技術(shù)研究所 天津 300171）

1 引言

集中監(jiān)控系統(tǒng)與底層設(shè)備在采用串行總線鏈路連接時(shí)，通信數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中難免出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)、沖突、丟包等現(xiàn)象，影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

究其原因，主要有以下幾方面：

（1）監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)不穩(wěn)定；

（2）串行設(shè)備本身通信功能和控制機(jī)制不穩(wěn)定；

（3）通信鏈路受外界環(huán)境干擾導(dǎo)致通信系統(tǒng)不穩(wěn)定；

（4）端口上掛接的串行設(shè)備超載而導(dǎo)致信號(hào)驅(qū)動(dòng)不足。

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

本文建立了一套激光系統(tǒng)串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)，可以對(duì)激光系統(tǒng)現(xiàn)有主工藝系統(tǒng)所有串行接口設(shè)備進(jìn)行通信性能測(cè)試，并可對(duì)新研制的主工藝串行接口設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的通信測(cè)試與監(jiān)控功能檢驗(yàn)，從而保證監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)高速、準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行，提升激光系統(tǒng)集中監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，為激光工藝系統(tǒng)的工程化應(yīng)用創(chuàng)造條件。

2 系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)要求

2.1 系統(tǒng)組成

激光系統(tǒng)串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)，由串行總線通信性能測(cè)試軟件和串行總線通信模擬控制裝置組成，測(cè)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(cè)試軟件為多對(duì)象模塊上位機(jī)通信測(cè)試軟件[1]，安裝于上位機(jī)平臺(tái)。以對(duì)象選擇的方式打開(kāi)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行不同串行設(shè)備的通信連接，可以對(duì)激光主工藝系統(tǒng)所有串行接口設(shè)備的通信性能進(jìn)行測(cè)試，上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的分析與計(jì)數(shù)，計(jì)算指令與數(shù)據(jù)之間的傳輸時(shí)間等功能。

串行總線通信模擬控制裝置可針對(duì)通信協(xié)議不同的設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單配置和人機(jī)接口顯示，以滿足多種協(xié)議設(shè)備的模擬需要。

2.2 設(shè)計(jì)要求

激光系統(tǒng)串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試以下不同串口通信協(xié)議工藝設(shè)備的通信性能及功能：固體激光器串行接口設(shè)備、染料泵串行接口設(shè)備。具體設(shè)計(jì)要求如下：

2.2.1 串行總線通信性能測(cè)試軟件要求

（1）根據(jù)不同串行接口協(xié)議設(shè)備的控制要求，以對(duì)象選擇的模式進(jìn)入相應(yīng)設(shè)備的測(cè)試界面。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)通信協(xié)議不同的串行總線通信模擬控制裝置的參數(shù)監(jiān)測(cè)與顯示。

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)通信協(xié)議不同的串行總線通信模擬控制裝置的遠(yuǎn)程控制，包括參數(shù)設(shè)置、開(kāi)關(guān)機(jī)控制。

（4）實(shí)現(xiàn)測(cè)試并分析通信協(xié)議不同的串行總線指令協(xié)議幀收發(fā)情況，包括對(duì)指令幀與數(shù)據(jù)幀的計(jì)數(shù)、分析、對(duì)比，對(duì)數(shù)據(jù)幀的誤碼、丟碼現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并分析計(jì)算和顯示指令幀與數(shù)據(jù)幀的響應(yīng)時(shí)間[2]。

（5）不同設(shè)備的軟件界面設(shè)計(jì)，以各自監(jiān)控的參數(shù)不同而各有差異，但協(xié)議分析中的指令幀、數(shù)據(jù)幀顯示與計(jì)數(shù)、響應(yīng)時(shí)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(jī)交互接口形式，選擇不同協(xié)議對(duì)象，進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)的顯示與控制功能的輸入。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)本裝置對(duì)應(yīng)接受和發(fā)送的指令幀、數(shù)據(jù)幀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)、對(duì)比和顯示，對(duì)接收的指令幀進(jìn)行誤碼、丟碼分析。

（3）研發(fā)的串行總線通信模擬控制裝置上，設(shè)計(jì)4實(shí)時(shí)硬件串口，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的中斷收發(fā)。

2.2.3 串行總線通信性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求

（1）根據(jù)激光系統(tǒng)主工藝單鏈系統(tǒng)規(guī)模，擬在總線鏈路上鏈接10個(gè)串行總線通信模擬控制裝置，組建模擬測(cè)試系統(tǒng)。

（2）配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行串行總線通信性能測(cè)試軟件。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 串行總線通信性能測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

采用VisualBasic6.0軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)串行總線通信性能測(cè)試軟件。實(shí)現(xiàn)對(duì)固體激光器系統(tǒng)、染料泵系統(tǒng)的串行總線通信性能分析，具體功能為：

（1）發(fā)送指令幀顯示及計(jì)數(shù)；

（2）發(fā)送指令響應(yīng)時(shí)間計(jì)算與顯示；

（3）接收指令幀顯示及計(jì)數(shù)；

（4）正確接收計(jì)數(shù)與錯(cuò)誤接收計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)；

（5）控制與監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示；

（6）控制基本操作。

測(cè)試軟件的功能界面設(shè)計(jì)參考現(xiàn)有設(shè)備集控平臺(tái)軟件，以方便操作人員使用。在此基礎(chǔ)上，增加明顯的協(xié)議分析技術(shù)顯示及指令與數(shù)據(jù)之間的響應(yīng)時(shí)間，并將監(jiān)測(cè)參數(shù)通過(guò)ModbusTCP協(xié)議進(jìn)行InterNET數(shù)據(jù)上傳。

以染料泵系統(tǒng)為例，其對(duì)應(yīng)通信測(cè)試軟件界面如圖1所示。

圖1 染料泵系統(tǒng)通信測(cè)試軟件界面

標(biāo)題欄下方為通信指令顯示區(qū)域，設(shè)備測(cè)試區(qū)域采用模塊化設(shè)計(jì)，單模塊顯示對(duì)應(yīng)設(shè)備通信指令統(tǒng)計(jì)數(shù)量以及響應(yīng)時(shí)間。

點(diǎn)擊“啟動(dòng)測(cè)試”按鈕，進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件與模擬測(cè)試裝置或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝系統(tǒng)進(jìn)行通信性能測(cè)試，開(kāi)始啟動(dòng)協(xié)議測(cè)試。點(diǎn)擊“計(jì)數(shù)清零”，將協(xié)議分析的發(fā)送指令幀計(jì)數(shù)、接收指令幀計(jì)數(shù)復(fù)位為0。

3.2 串行總線通信模擬控制裝置設(shè)計(jì)

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

串行總線通信模擬控制裝置采用標(biāo)準(zhǔn)4U機(jī)箱設(shè)計(jì)，將控制板和觸摸屏進(jìn)行集成，便于實(shí)驗(yàn)室機(jī)柜安裝與使用操作。圖2為模擬測(cè)試裝置照片。

圖2 模擬測(cè)試裝置

模擬控制裝置內(nèi)部采用4串口片上實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成本地模擬數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、顯示。其內(nèi)部架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 串行總線通信控制裝置內(nèi)部架構(gòu)示意圖

其中，核心單元為單片機(jī)，完成與測(cè)試平臺(tái)的串行總線通信以及觸摸拼控制數(shù)據(jù)的接收與輸出。其線路連接為：

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

（2）將串行總線通信控制性能測(cè)試模擬裝置的RS485串行端口用雙絞線連接到PC機(jī)另一通信COM上，進(jìn)行通信指令監(jiān)測(cè)。

（3）用AC220 V電源線連接AC220 V供電電源。

觸摸屏人機(jī)接口設(shè)計(jì)，采用7英寸觸摸屏設(shè)計(jì)，其功能顯示單片機(jī)中心模擬生成的各項(xiàng)參數(shù)以及指令幀與數(shù)據(jù)幀的統(tǒng)計(jì)顯示與響應(yīng)時(shí)間。

4 系統(tǒng)測(cè)試

應(yīng)用激光系統(tǒng)串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試激光工藝系統(tǒng)串行總線設(shè)備的可靠性，主要分為在模擬裝置上的模擬測(cè)試與在現(xiàn)有工藝系統(tǒng)上的應(yīng)用測(cè)試。

4.1 模擬測(cè)試

模擬測(cè)試選取串行總線模擬裝置的染料泵系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象，采用目前監(jiān)控系統(tǒng)中主工藝串行總線形式進(jìn)行架構(gòu)連接，主要測(cè)試操作響應(yīng)時(shí)間、通信容錯(cuò)能力以及長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，測(cè)試還能考核4串口實(shí)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

模擬測(cè)試測(cè)試時(shí)長(zhǎng)100 h，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。取5臺(tái)染料泵模擬設(shè)備的各9組數(shù)據(jù)記錄于表1。

表1 模擬測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

測(cè)試結(jié)果表明：

2)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)數(shù)量對(duì)應(yīng)，通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)為0；

3)系統(tǒng)操作相應(yīng)時(shí)間基本維持在31～32 ms。

4.2 應(yīng)用測(cè)試

應(yīng)用測(cè)試選取固體激光器實(shí)際工藝設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象。將在系統(tǒng)應(yīng)用的串行接口集控平臺(tái)軟件，替換為串行總線控制性能測(cè)試軟件，測(cè)試操作響應(yīng)時(shí)間、通信容錯(cuò)能力以及長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2 應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

測(cè)試結(jié)果表明：

（1）在應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)100 h長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，通信性能測(cè)試軟件和固體激光器設(shè)備的通信正常；

（2）發(fā)送、接收數(shù)據(jù)數(shù)量對(duì)應(yīng)，通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)為0；

（3）系統(tǒng)操作相應(yīng)時(shí)間基本維持在15～16 ms。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)激光系統(tǒng)集中監(jiān)控系統(tǒng)與部分底層工藝設(shè)備的串行總線通信鏈路設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)完成了一套串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)[3]?？偨Y(jié)如下：

（1）激光系統(tǒng)串行總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)的建立滿足設(shè)計(jì)要求。串行總線通信性能測(cè)試軟件和串行總線通信模擬控制裝置可以對(duì)現(xiàn)有激光主工藝系統(tǒng)串行接口設(shè)備進(jìn)行通信性能測(cè)試，并可對(duì)新研制的主工藝串行接口設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的通信測(cè)試與監(jiān)控功能檢驗(yàn)，在實(shí)際使用中功能正常，穩(wěn)定可靠。

（2）系統(tǒng)順利完成了100 h的模擬測(cè)試和應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)有激光工藝系統(tǒng)架構(gòu)的串口通信鏈路性能良好，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性能夠滿足應(yīng)用需要。

（3）除串行總線外，激光系統(tǒng)部分工藝設(shè)備采用工業(yè)以太網(wǎng)總線與集中監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行鏈路通信，下一步有必要進(jìn)行以太網(wǎng)總線通信性能測(cè)試系統(tǒng)的搭建，為工藝系統(tǒng)的工程化應(yīng)用可行性提供測(cè)試依據(jù)。