水下專用測控系統(tǒng)研究范文

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《杭州電子科技大學(xué)學(xué)報》2017年第1期

摘要：針對新型海底取樣設(shè)備對運行過程穩(wěn)定性和測控多樣性需求的提升，設(shè)計了一種基于分布式管理的水下專用測控系統(tǒng)．系統(tǒng)通過功能劃分將整體轉(zhuǎn)化為一組特定的功能模塊，各模塊搭載隔離CAN收發(fā)器并以板卡接入的方式連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，以此建立以主控板卡為核心的集中管理、分散操作的集散式測控結(jié)構(gòu)．測控結(jié)構(gòu)良好的接入能力與擴展性使得系統(tǒng)能夠便捷地實現(xiàn)功能的擴充．系統(tǒng)擁有自檢能力，能實時監(jiān)測自身電能與外部系統(tǒng)控制狀態(tài)．測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能穩(wěn)定高效地運行并完成各項測控功能．

關(guān)鍵詞：分布式管理；測控；板卡接入；可擴展性；自檢

0引言

水下取樣設(shè)備是開展海洋地質(zhì)及環(huán)境科學(xué)研究、海洋礦產(chǎn)資源勘探和海底工程地質(zhì)勘察所必備的關(guān)鍵技術(shù)裝備．隨著設(shè)備不斷改進，對其測控系統(tǒng)功能的多樣性和穩(wěn)定性提出了更高的要求．傳統(tǒng)測控系統(tǒng)如模擬儀表測控系統(tǒng)，測控分散、精度低且易受到干擾；集中式數(shù)字測控系統(tǒng)可實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度與管理，但其對核心單元的處理能力要求極高，在復(fù)雜的環(huán)境下無法高效運作，系統(tǒng)容錯能力與擴展能力較差．本文設(shè)計的基于分布式管理的水下專用測控系統(tǒng)很好地彌補了這些不足．系統(tǒng)由測控級和監(jiān)控級組成多級測控，其核心理念包括集散式測控、分級管理、靈活組態(tài)與配置等．相較于傳統(tǒng)測控系統(tǒng)，其將單個分立的測控系統(tǒng)變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并以主控節(jié)點為管理，以CAN總線為紐帶，將它們連接成為可以實現(xiàn)信息互通、共同完成測控任務(wù)的分布式測控系統(tǒng)．CAN總線能夠保證節(jié)點間數(shù)據(jù)通信的實時性，且其擁有良好的容錯控制能力，保證了系統(tǒng)的靈活性與可靠性．

1系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)分為水下測控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)．水下測控系統(tǒng)采用板卡接入的設(shè)計方式，其中主控板卡作為系統(tǒng)的核心處理單元，負(fù)責(zé)水下系統(tǒng)的運行管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互．電源管理板卡、繼電器控制板卡和采集板卡組成基本功能板卡．甲板監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控上位機和甲板光纖通信機．水下系統(tǒng)與甲板系統(tǒng)之間采用光纖通信．系統(tǒng)工作原理如下：采集板卡負(fù)責(zé)模擬量和數(shù)字量采集，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至主控板卡，由主控板卡負(fù)責(zé)預(yù)處理并上傳至監(jiān)控上位機，上位機完成數(shù)據(jù)最終處理；上位機的控制請求通過主控板卡解析并發(fā)送至繼電器控制板卡，完成對外部系統(tǒng)的控制．主控板卡與上位機的數(shù)據(jù)交互采用串口通信，并提供了網(wǎng)絡(luò)通信的條件以便系統(tǒng)后續(xù)深入優(yōu)化．水下測控系統(tǒng)內(nèi)部則采用基于CAN總線的分布式體系結(jié)構(gòu)，各總線節(jié)點獨立負(fù)責(zé)其各自的任務(wù)，從而減輕主控單元的工作負(fù)擔(dān)，并能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性．當(dāng)需要增加功能板卡時，只需將其接入總線網(wǎng)絡(luò)，即可便捷實現(xiàn)系統(tǒng)功能擴展．各板卡均搭載統(tǒng)一的隔離式CAN收發(fā)模塊并配合隔離電源，為CAN控制器提供差分收發(fā)能力．基于系統(tǒng)的靈活性和擴展性，擴展板卡的類別可以根據(jù)應(yīng)用需求而定．例如，在水下傳感器需求較多的場合，可添加采集板卡以擴展系統(tǒng)的采集功能；在機械系統(tǒng)復(fù)雜的場合，可添加繼電器控制板卡以擴展系統(tǒng)的控制功能．為實現(xiàn)系統(tǒng)自檢，本系統(tǒng)在電源部分添加了電源管理功能，實時監(jiān)測系統(tǒng)供電電能；在繼電器控制部分應(yīng)用閉環(huán)檢測結(jié)構(gòu)，向監(jiān)控系統(tǒng)實時反饋控制狀態(tài)與輸出狀態(tài)，增強了系統(tǒng)的可靠性與可維護性．

2硬件設(shè)計

本文采用模塊化的設(shè)計思想，將不同功能分解并集成到對應(yīng)的功能板卡上，板卡以節(jié)點的形式接入CAN通信總線，建立分布式測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在主控板卡的管理下，各板卡分工協(xié)作，互不干擾．硬件設(shè)計遵循通用性原則，各板卡均采用與主控系統(tǒng)同樣的核心處理芯片，CAN收發(fā)控制采用相同的隔離收發(fā)器來設(shè)計．

2．1主控管理

主控板卡作為系統(tǒng)的核心管理單元，除采集系統(tǒng)姿態(tài)數(shù)據(jù)以外，并不直接參與系統(tǒng)的對外控制和數(shù)據(jù)采集，這從很大程度上減輕了其負(fù)擔(dān)．主控MCU采用STM32F407ZET6．該MCU采用Cortex－M4內(nèi)核，最高主頻可達(dá)168MHz．主控系統(tǒng)以性能良好的主控MCU為基礎(chǔ)，配置了豐富的外部資源，包括網(wǎng)口、以太網(wǎng)PHY芯片、外部SRAM、外部Flash、TFCard、六軸姿態(tài)測量模塊．主控系統(tǒng)還提供了多路具有帶大負(fù)載能力的供電輸出，為外部攝像系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源，并且各路電源均通過光電隔離器以及并行輸入／串行輸出移位寄存器芯片實現(xiàn)電源檢測．

2．2電源管理

電源管理板卡分為整流濾波板卡和電能監(jiān)測板卡．整流濾波板卡為系統(tǒng)提供直流供電電源，電能監(jiān)測板卡的主要功能是檢測交流電能，其采樣電路在整流濾波板卡中提供．電能監(jiān)測板卡的核心是RN8209G電能計量芯片．芯片內(nèi)部的集成處理單元對交流采樣數(shù)據(jù)進行精確解析，高效地測量電路的有功能量和有功功率，且其內(nèi)部的電源監(jiān)控電路可以保證芯片在斷電時也能可靠工作．應(yīng)用高性能電能計量芯片實現(xiàn)電能自檢，有助于技術(shù)人員及時定位和處理系統(tǒng)異常，提升系統(tǒng)的可靠性和安全性．

2．3測控功能模塊

2．3．1繼電器控制板卡

繼電器控制板卡負(fù)責(zé)系統(tǒng)外部控制．水下作業(yè)離不開龐大而復(fù)雜的機械設(shè)備，機械設(shè)備執(zhí)行操作需要電子控制系統(tǒng)提供支持．本系統(tǒng)通過控制該板卡上的多路繼電器來驅(qū)動水下液壓閥組，并由水下液壓閥組來完成相應(yīng)的外部機械設(shè)備的控制．另外，如水下尋址燈、攝像頭、電源轉(zhuǎn)換模塊等設(shè)備的開關(guān)控制也可由該板卡負(fù)責(zé)執(zhí)行．針對傳統(tǒng)繼電器控制結(jié)構(gòu)單向開環(huán)的弊端，分別在繼電器控制端和輸出端添加閉環(huán)檢測結(jié)構(gòu)．繼電器控制端采用光耦隔離檢測技術(shù)，可以有效避免外圍系統(tǒng)對MCU造成的意外傷害．當(dāng)MCU發(fā)送繼電器控制信號時，檢測電路將繼電器控制端的電平狀態(tài)反饋給MCU，從而幫助系統(tǒng)獲取繼電器的控制狀態(tài)．由于設(shè)備的工作電流通常較大，系統(tǒng)采用線性電流傳感器檢測繼電器輸出端的電流值，以獲取繼電器所帶外部負(fù)載的運行狀態(tài)．

2．3．2采集板卡

采集板卡分為模擬量采集板卡與數(shù)字量采集板卡，負(fù)責(zé)為各類水下傳感器提供數(shù)據(jù)傳輸與處理接口．伴隨著水下設(shè)備的復(fù)雜化與規(guī)模化，單點信息采集早已無法滿足需求．針對大規(guī)模、分布式的水下設(shè)備，板卡集成了多通道信息采集系統(tǒng)以全方位監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)．常用的水下設(shè)備采集量包括姿態(tài)、位移、壓力等模擬量，位置、轉(zhuǎn)速等數(shù)字脈沖量以及溫度、高度計數(shù)據(jù)等，這些采集量均來自不同類型的水下傳感器．每類傳感器的數(shù)量不一，因此系統(tǒng)設(shè)計了多路分壓式隔離與非隔離模擬信號采集電路來處理多組采集數(shù)據(jù)，用戶只需根據(jù)傳感器不同對分壓電路上的電阻值稍作修改即可實現(xiàn)采集功能，具備較好的通用性．其中在隔離采集電路應(yīng)用低功耗隔離運放，能夠在保證輸出信號不衰減的同時有效屏蔽干擾信號，提升采集系統(tǒng)的可靠性和安全性．同樣考慮到電路兼容性，采用光電隔離器配合MCU內(nèi)部三態(tài)緩沖器實現(xiàn)多路數(shù)字量采集，減少了輸入端干擾并保證系統(tǒng)安全．

2．4系統(tǒng)擴展利用CAN總線節(jié)點即插即用的特點，系統(tǒng)測控功能的擴展十分便捷．?dāng)U展板卡只需搭載統(tǒng)一的隔離CAN收發(fā)模塊并加入通信總線中，并與其余各板卡遵循同樣的協(xié)議，就能夠與系統(tǒng)建立通信，對于系統(tǒng)原有的硬件電路無需做任何修改．

3軟件設(shè)計

3．1主控系統(tǒng)

軟件設(shè)計主控板卡作為水下通信網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，負(fù)責(zé)水下系統(tǒng)運行管理以及與上位機通信．主控系統(tǒng)軟件流程主要分為下行指令與上行數(shù)據(jù)的管理流程．主控系統(tǒng)軟件流程如圖4所示．其中串口發(fā)送請求標(biāo)志位是在數(shù)據(jù)傳輸時序控制單元中設(shè)置的．?dāng)?shù)據(jù)傳輸時序控制單元包含在定時器中斷函數(shù)中，其具有計數(shù)功能，設(shè)定了發(fā)送CAN刷新幀和數(shù)據(jù)上傳的時序.主控系統(tǒng)設(shè)置了獨立看門狗來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作．獨立看門狗與數(shù)據(jù)傳輸時序控制單元共用定時器．若5min內(nèi)系統(tǒng)接收到了上位機發(fā)來的心跳信號，則系統(tǒng)喂狗，防止復(fù)位；若未收到心跳信號，則系統(tǒng)將自動復(fù)位．系統(tǒng)為每個總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點分配了一個獨立ID，即總線數(shù)據(jù)幀仲裁域標(biāo)識符，該標(biāo)示符采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式．若系統(tǒng)有擴展需求，根據(jù)預(yù)定規(guī)則來設(shè)定擴展板卡的ID．對于新增的板卡，只需根據(jù)其ID對原先的軟件設(shè)計稍作修改，進行并不復(fù)雜的功能擴充，就能夠便捷的實現(xiàn)系統(tǒng)的功能擴展．

3．2CAN通信設(shè)計

為了保證CAN通訊的穩(wěn)定，系統(tǒng)采用計數(shù)器對CAN通信單元進行監(jiān)控．CAN通信流程如圖5所示．主控系統(tǒng)每隔100ms向CAN總線發(fā)送刷新幀，更新繼電器的控制狀態(tài)，并由計數(shù)器計算被控系統(tǒng)的響應(yīng)時間．若500ms內(nèi)主控系統(tǒng)接收到來自CAN總線的反饋信號，則系統(tǒng)CAN單元工作正常．否則，CAN通信單元將自動復(fù)位并重新初始化．

4系統(tǒng)測試

本文對系統(tǒng)的通信及安全，測控子功能，自檢等方面分別進行測試．其中，通信安全測試包括自動復(fù)位與重啟測試，測控子功能測試包括數(shù)據(jù)采集與控制功能測試，自檢測試包括繼電器控制端與輸出端反饋測試，輸入電能自檢測試等．

4．1通信及軟件安全性測試

系統(tǒng)正常運行一段時間后，斷開主通信連接，5min后指示燈指示系統(tǒng)自動復(fù)位，表明系統(tǒng)安全機制有效．若程序出現(xiàn)故障，能夠自動完成重啟，以保證系統(tǒng)可靠與穩(wěn)定．

4．2控制與自檢功能測試

以功率電阻作為系統(tǒng)負(fù)載并記錄系統(tǒng)的供電電能參數(shù)．如圖6所示，輸入電能隨著負(fù)載的變化而變化，以此實現(xiàn)電能實時自我監(jiān)控．對繼電器控制板卡繼電器做開閉測試：繼電器打開時，上位機接收到來自繼電器板卡的反饋信號后將對應(yīng)的繼電器開關(guān)按鈕高亮顯示．打開帶負(fù)載的繼電器，監(jiān)控界面能夠顯示其負(fù)載工作時的電流值．圖7為實驗室測試環(huán)境．

4．3數(shù)據(jù)采集功能測試

用高精度數(shù)字源表模擬傳感器分別輸出電壓信號和電流信號，電壓值范圍為0～5V，間隔0．5V；電流值范圍為4～20mA，間隔1mA．用函數(shù)信號發(fā)生器模擬傳感器輸出的數(shù)字脈沖信號，設(shè)置輸出信號為方波，頻率范圍20Hz～2kHz．測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可準(zhǔn)確獲取模擬量和數(shù)字量輸入值并通過上位機界面顯示，系統(tǒng)采集功能正常．

4．4擴展功能測試

為系統(tǒng)添加一塊繼電器控制板卡和一塊采集板卡，指示燈顯示CAN通信正常，通過上位機可以控制新增繼電器板卡的繼電器并能獲取到來自采集板卡的數(shù)據(jù)．

5結(jié)束語

本文設(shè)計的基于分布式管理的水下測控系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)測控結(jié)構(gòu)的局限性，實現(xiàn)了分布式的數(shù)據(jù)采集，外部控制以及統(tǒng)一的流程管理、數(shù)據(jù)通信、界面操控與顯示等功能，為水下取樣設(shè)備提供了功能多樣化且高性能的測控平臺．隨著海洋科學(xué)考察不斷深入，水下裝備不斷朝著大型化、復(fù)雜化與智能化方向發(fā)展，基于分布式管理的系統(tǒng)測控模式在海洋地質(zhì)調(diào)查與資源勘探等領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景．

參考文獻(xiàn)

［1］劉德順，金永平，萬步炎，等．深海礦產(chǎn)資源巖芯探測取樣技術(shù)與裝備發(fā)展歷程與趨勢［J］．中國機械工程，2014（23）：3255－3265．

［2］侯強．基于網(wǎng)絡(luò)的分布式測控系統(tǒng)研究［D］．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005．

作者：劉敬彪，厲軻 單位：杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院