基于發(fā)射裝置實時測控的微控制器網(wǎng)絡技術研究
李晨1，蔡欣榮2
（1．海軍駐昆明七O五所軍事代表室，云南昆明650118；2.江蘇自動化研究所，江蘇連云港222000）
摘要：研究基于發(fā)射裝置實時測控的微控制器網(wǎng)絡技術，解決發(fā)射裝置系統(tǒng)功能膨脹以及對實時控制的雙重要求。構建實時測控網(wǎng)絡，利用硬件協(xié)議棧的思想，在發(fā)射裝置系統(tǒng)各管理模塊上實現(xiàn)協(xié)議的硬件化，建立大數(shù)據(jù)量動態(tài)信息實時可靠傳送網(wǎng)絡，以滿足系統(tǒng)對命令和流程控制等嚴格的可靠性、安全性和實時性的需求。證實了基于發(fā)射裝置實時測控的微控制器網(wǎng)絡技術方案的可行性。
關鍵詞：實時測控網(wǎng)絡技術；硬件協(xié)議棧；發(fā)射裝置
中圖分類號：TP23 文章編號：1006 - 2394( 2016) 01 - 0005 - 04
0 引言
實時測控網(wǎng)絡技術是用于需要實時測控應用領域的專用網(wǎng)絡通信技術，它除了具有嚴格的確定性和可觀測性外，還具有傳輸速率高、通信協(xié)議簡單、軟硬件平臺適應性強等特點。
近年來，由于計算機、通信、網(wǎng)絡和控制技術的發(fā)展和融合，發(fā)展控制網(wǎng)絡和網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工廠、企業(yè)的迫切需求。工業(yè)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了計算機集中控制系統(tǒng)( CCS)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)( FCS)。借鑒新型發(fā)射裝置分布式組網(wǎng)技術、實時網(wǎng)絡通信技術等方面的成功經(jīng)驗，針對未來發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的測控需求，整合研發(fā)適宜的網(wǎng)絡架構和軟／硬件環(huán)境，可較好地解決系統(tǒng)功能膨脹以及對實時控制的雙重要求，達到系統(tǒng)分布式、實時性、可靠性、大量測控數(shù)據(jù)傳送以及方便擴展接入等目的，為未來發(fā)射裝置電控系統(tǒng)應用新技術做好鋪墊，也為新一代分布式智能控制網(wǎng)絡技術應用打下良好基礎，因此，有必要研究基于發(fā)射裝置實時控制的微控制器網(wǎng)絡技術以適應未來發(fā)展需求。
1 實時測控網(wǎng)絡結構及方案
針對未來發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的測控需求，實時測控網(wǎng)絡技術包括以下幾方面內(nèi)容：
1)構建基于硬件直接控制的協(xié)議棧；
2)建立大數(shù)據(jù)量動態(tài)信息實時可靠傳送網(wǎng)絡；
3)研究網(wǎng)絡在線升級和擴展功能。
1.1實時測控網(wǎng)絡總體方案
如圖1所示，給出了實時測控網(wǎng)絡總體結構框圖。
該實時測控網(wǎng)絡采用分布式三層網(wǎng)絡結構實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實時控制和大數(shù)據(jù)量通信功能。第一層實現(xiàn)上位監(jiān)控協(xié)調(diào)機與決策系統(tǒng)之間通信；第二層實現(xiàn)監(jiān)控協(xié)調(diào)機與各管理模塊之間的通信；第三層實現(xiàn)管理模塊與各底層控制節(jié)點間的通信。其中，第一層網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的決策機構，是系統(tǒng)動作的發(fā)起者；第二層網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)通信，滿足數(shù)據(jù)傳輸距離長、傳輸速率高以及智能傳感器大數(shù)據(jù)量傳輸要求；第三層網(wǎng)絡是測控技術的重點，利用硬件協(xié)議棧的思想，以滿足系統(tǒng)對命令和流程控制等嚴格的可靠性、安全性和實時性需求。三層網(wǎng)絡均采用同級網(wǎng)絡硬件冗余方案，在提高系統(tǒng)通信可靠性的同時，最大限度地降低軟件開發(fā)難度，節(jié)省軟件開支。
1.2硬件協(xié)議棧
針對實時測控系統(tǒng)的第三層網(wǎng)絡，利用硬件協(xié)議棧的基本思想，結合高實時管理模式，設計具有規(guī)范化、具體化和專用化等特點的管理控制機制。
目前很多嵌入式芯片是直接通過軟件實現(xiàn)的，但由于網(wǎng)絡協(xié)議都比較大，寫入軟件后穩(wěn)定性欠佳，而且客戶時常會有新的需求，這種用軟件實現(xiàn)的方式改寫測試較難，很難滿足頻繁更新升級的需求。因此，有必要將網(wǎng)絡協(xié)議的處理獨立于系統(tǒng)處理器之外，讓應用程序與資料的輸入／輸出分別執(zhí)行于不同的硬件來適應多方面的條件，如此形成硬件協(xié)議棧架構，其原理結構如圖2所示。將網(wǎng)絡協(xié)議的處理分成一個由特定處理器執(zhí)行的控制部分和一個硬件線路部分，其優(yōu)點是具有較短的開發(fā)周期、較高的彈性和較低的開發(fā)成本。協(xié)議棧存儲于硬件，受硬件直接控制，可以采用類似于系統(tǒng)升級維護的方式對協(xié)議棧進行更新以滿足不同的需求。協(xié)議棧更新后，運用層軟件只需作適應性指令修改即可滿足新的通信任務。
2發(fā)射裝置實時測控網(wǎng)絡
一般發(fā)射裝置電控系統(tǒng)采用微機化集中控制系統(tǒng)，隨著發(fā)射裝置自動化要求的不斷提高，控制節(jié)點不斷增加，特別是程控前端傳感器和執(zhí)行器的應用，原發(fā)射裝置電控系統(tǒng)集中控制模式已不能滿足系統(tǒng)功能快速升級擴展的需求，且系統(tǒng)的功能擴展與資源快速消耗的矛盾也導致系統(tǒng)實時性出現(xiàn)瓶頸。基于發(fā)射裝置實時控制的微控制器網(wǎng)絡技術可以滿足未來發(fā)射裝置自動化程度提高的需要。
2.1 發(fā)射裝置實時測控網(wǎng)絡構建
如圖3所示，發(fā)射裝置實時測控系統(tǒng)采用分布式三層網(wǎng)絡／總線結構，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實時控制和大數(shù)據(jù)量通信功能。第一層實現(xiàn)軍用加固機與艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡通信；第二層實現(xiàn)上位機與左／右舷控制箱和傳感器參數(shù)測試箱之間的通信；第三層實現(xiàn)左／右舷控制箱中各控制模塊間的通信。三層網(wǎng)絡均采用同級網(wǎng)絡硬件冗余方案，在提高系統(tǒng)通信可靠性的同時，最大限度地降低軟件開發(fā)難度，節(jié)省軟件開支。
由于發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的實時性、可靠性及具有固有控制流程的特性，可構思由第二層網(wǎng)絡上的軍用加固機通過以太網(wǎng)與第三層的控制總線的主控制器進行通信，加固機亦可通過以太網(wǎng)和嵌入式網(wǎng)絡傳感器通信以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量信息的傳輸。而第三層的主控制器主要是接收來自第二層的指控指令（如某管準備、發(fā)射、結束等），并在第三層的總線協(xié)議上實現(xiàn)控制流程，掛在總線上的其他從控制器不斷接收總線上的報文信息并解析，若收到可以啟動該節(jié)點控制程序的報文即進行相應控制并將結果按協(xié)議打包后發(fā)送到總線上。主控制器不斷接收從控制器發(fā)送到總線上的報文并解析處理，同時在各節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變化時將各節(jié)點的狀態(tài)信息處理打包后通過以太網(wǎng)發(fā)送給加固機。加固機實現(xiàn)接收上層指控系統(tǒng)的指控信息并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到下層主控制器，同時接收下層各主控制器的狀態(tài)信息進行分析處理并顯示在人機界面上。根據(jù)發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的需求特性，在第三層的主從網(wǎng)絡中需要主控制器既與第二層的以太網(wǎng)進行通信，又能同時與第三層其他從控制器進行通信，這種異構網(wǎng)絡之間的通信，需要在不同的協(xié)議之間進行轉(zhuǎn)換，因而主控制器需要實現(xiàn)兩層網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸，當一個報文要求從一個網(wǎng)段發(fā)送到另一個網(wǎng)段時，網(wǎng)關需要完成對該報文的接收、翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)工作。與原發(fā)射裝置電控系統(tǒng)相比較，加固機不再對各電磁閥進行直接控制，每層網(wǎng)絡上各個智能控制器節(jié)點功能更加單一，可滿足實時性、可靠性的需求，能夠減小單個模
塊軟件編程的復雜度。
管理模塊可采用ARM微控制器，把系統(tǒng)底層控制的固有控制流程固化到微控制器的存儲器中。當軍用加固機發(fā)送命令給管理模塊時，微控制器模塊經(jīng)過相應的判斷，然后以棧指針的方式從存儲器中提取對應的操作指令，控制操管模塊和程控閥等模塊的動作執(zhí)行。由于發(fā)射裝置的控制流程是相對固定的順序控制，而且發(fā)射過程中所有可能發(fā)生的情況理論上都可以預測到，所以把硬件協(xié)議棧的思想應用于發(fā)射裝置系統(tǒng)上是切實可行的。
2.2基于硬件直接控制的協(xié)議棧
以發(fā)射裝置系統(tǒng)某種情況的控制流程為例，把強實時管理模式應用于發(fā)射裝置，給出發(fā)射系統(tǒng)工作流程的具體固化方式。具體的實現(xiàn)方法是在第三層網(wǎng)絡的管理模塊整體實現(xiàn)工作流程的固化。設計相應的硬件協(xié)議棧，在硬件控制下解析網(wǎng)絡同步指令。管理模塊采用微控制器，把系統(tǒng)底層控制的固有控制流程固化到存儲器中。當上級監(jiān)控協(xié)調(diào)機發(fā)送命令給管理模塊時，微控制器模塊經(jīng)過相應的判斷，然后以棧指針的方式從存儲器中提取對應的操作指令，控制底層硬件執(zhí)行測控操作。在整個管理模塊中，以硬件協(xié)議為主導，各節(jié)點根據(jù)協(xié)議解析發(fā)送的命令進行相應的操作。這種基于硬件協(xié)議棧的思想是以犧牲硬件為代價來降低軟件開發(fā)的復雜度和開發(fā)周期，把系統(tǒng)底層控制的固有控制流程固化到微控制器的存儲器中實現(xiàn)執(zhí)行設備隊列的控制。
由于發(fā)射裝置的工作控制流程是相對固定的，而且發(fā)射過程中所有可能發(fā)生的情況都是可以預測的，所以可以將軍隊管理機制應用于發(fā)射裝置控制系統(tǒng)=硬件協(xié)議棧的思想就是將發(fā)射裝置固定的全工作控制流程固化在存儲器中，按照硬件協(xié)議解析完成對各控制節(jié)點的控制，避免了總線的競爭，可以很好地解決發(fā)射系統(tǒng)的實時性和可靠性等問題。
2.3 大數(shù)據(jù)量信息實時傳送網(wǎng)絡技術
要保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，必須做到延時限定和傳輸保證，即信息必須在限定的時間內(nèi)成功地傳輸。以下是影響網(wǎng)絡實時性主要的幾個方面：
1)網(wǎng)絡的傳輸速率；
2)信息的數(shù)據(jù)或報文長度；
3)控制信息傳輸?shù)膮f(xié)議。
在以往控制系統(tǒng)中成功應用了CAN總線網(wǎng)絡技術，但是現(xiàn)場總線是專用實時通信網(wǎng)絡，成本高，總線速率較低，支持的應用有限，不便于和Internet信息集成。而現(xiàn)在正迅速成長起來的實時以太網(wǎng)，得到很多工廠和企業(yè)的青睞，它具有成本低、網(wǎng)絡速率快等特點，更主要是它解決了工業(yè)以太網(wǎng)實時性差的問題，具有汕s級的延遲，可以很好地滿足未來發(fā)射裝置發(fā)展的需要。當前有六種主要的實時以太網(wǎng)通信協(xié)議，分別是：EPA實時以太網(wǎng)（中國）、Ethernet/IP實時以太網(wǎng)、 Modbus-IDA實時以太網(wǎng)、PROFINET實時以太網(wǎng)、Eth-ernet Powerlink實時以太網(wǎng)和EtherCAT實時以太網(wǎng)。其中我國的EPA實時以太網(wǎng)的思想是將通信報文進行分類，分類的標準是根據(jù)信息的實時性要求分成實時性文報文和非實時性報文。實時性報文優(yōu)先傳送，非實時性的報文會安排特定時間進行傳輸，這樣可以減少延遲，提高網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性能。
利用硬件協(xié)議棧的思想，立足于發(fā)射裝置自身需求，以實時以太網(wǎng)為平臺，構建基于實時測控的微控制器網(wǎng)絡技術，借鑒實時以太網(wǎng)按實時性要求分類的思想，將對實時性要求高的控制命令和數(shù)據(jù)，與發(fā)射過程數(shù)據(jù)等非實時的數(shù)據(jù)分類，確�？偩�的實時性。同時自定義現(xiàn)場管理控制硬件協(xié)議棧取代傳統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方式，在各管理模塊上實現(xiàn)協(xié)議的硬件化，以犧牲硬件的代價降低軟件開發(fā)的復雜度和周期，滿足系統(tǒng)對命令和流程控制的可靠性、安全性和實時性需求。
2.4實時測控網(wǎng)絡與CAN總線網(wǎng)絡的總線效率比較
在某型控制系統(tǒng)中成功應用了CAN總線網(wǎng)絡技術，比如在系統(tǒng)的準備過程中，當上級給控制主機發(fā)送 準備命令時，這兩種網(wǎng)絡總線的執(zhí)行流程是：對于CAN總線來說，只傳輸控制指令和少量數(shù)據(jù)，控制主機只發(fā)送準備命令給操作模塊和程控模塊，準備的具體操作指令和故障判斷處理程序則存儲在操作模塊和程控模塊中；而對于實時測控網(wǎng)絡，通過自定義指令通信協(xié)議、控制信息傳輸協(xié)議，可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的信息傳輸。因此，可以把復雜指令流程都以硬件協(xié)議棧的方式集成到管理模塊的存儲器中，當控制主機收到上級的準備命令后，可以定時廣播將相關的指令集和預定數(shù)據(jù)鏈參數(shù)發(fā)送給相應的執(zhí)行模塊，這樣就避免了總線競爭，增強了系統(tǒng)同步性能，有利于提高總線的效率、實時性和可靠性。
2.5實時測控網(wǎng)絡的更新升級和擴展
對于發(fā)射裝置電控系統(tǒng)來說，由于使用方對裝備的要求不斷提高，以及發(fā)射裝置系統(tǒng)本身升級的需要，經(jīng)常要對發(fā)射系統(tǒng)進行升級，而用軟件實現(xiàn)的方式很難滿足頻繁更新升級的需求。因此，在各管理模塊上實現(xiàn)協(xié)議的硬件化，使用更多的硬件來降低軟件開發(fā)的復雜度和周期，使其具有較短的開發(fā)周期、較高的彈性和較低的開發(fā)成本，并且易于實現(xiàn)系統(tǒng)的更新升級。
對于發(fā)射裝置的擴展，由于系統(tǒng)能夠方便地更新升級，因而系統(tǒng)硬件的擴展更容易實現(xiàn)。在設計發(fā)射系統(tǒng)時，考慮未來系統(tǒng)升級的需要，可以設計增加與具體設備無關的備用擴展設備接口，當有升級需要時，就可以增加硬件設備，同時更新升級軟件以適應硬件的需要。對于新增加的硬件，應用PnP思想，可以通過主控制機構掃描自檢的方法進行識別，這樣就可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展。
3結束語
結合發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的實際需求，需要在大數(shù)據(jù)量動態(tài)信息實時傳送技術，微控制器實時控制技術，冗余控制技術等方面取得突破。基于這幾方面的需求，利用硬件協(xié)議棧的思想，結合強實時管理模式，提出了具有規(guī)范化、具體化和專用化等特點的管理控制機制。以實時以太網(wǎng)為平臺，構建基于實時測控的微控制器網(wǎng)絡技術，借鑒實時以太網(wǎng)按實時性要求分類的思想，將對實時性要求高的控制命令和數(shù)據(jù)，與發(fā)射過程數(shù)據(jù)等非實時的數(shù)據(jù)分類，確保總線的實時性。通過自定義通信協(xié)議，把控制指令和流程固化于存儲器，按照固定的流程對各控制節(jié)點進行控制，提高總線的傳輸效率，避免了總線的競爭，解決了CAN控制總線實時帶寬低、不能兼顧實時性和數(shù)據(jù)量的問題。構建了基于實時測控的微控制器網(wǎng)絡技術基本框架，為未來的發(fā)射裝置電控系統(tǒng)的信息傳輸做好鋪墊。
通過增加使用硬件來降低軟件開發(fā)的代價，使用數(shù)據(jù)壓縮傳輸技術，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量信息的傳輸，采用實時以太網(wǎng)技術與現(xiàn)在的大系統(tǒng)要求無縫對接，具有較好的系統(tǒng)適應性，加之自主設計開發(fā)的硬件協(xié)議棧，不依賴操作系統(tǒng)的軟件調(diào)度，可確保系統(tǒng)的實時性和健壯性，實現(xiàn)大量測控數(shù)據(jù)實時傳送以及系統(tǒng)的擴展等，在提高未來發(fā)射裝置系統(tǒng)的性能等方面具有很好地應用前景。
基于硬件協(xié)議棧的微控制器直接控制方式亦可應用到其他的軍事領域，比如導彈發(fā)射控制、火箭發(fā)射控制等。這些發(fā)射系統(tǒng)的控制流程是相對固定的，而且發(fā)射過程中所有可能發(fā)生的情況都是可以預測的。如果該技術能在這些發(fā)射系統(tǒng)成功得到應用，將很大程度地提高發(fā)射控制系統(tǒng)的實時性和可靠性，提高軍隊武器裝備自動化水平。
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