發(fā)布時(shí)間：2016-10-31所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 這篇電子高級(jí)工程師論文發(fā)表了燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，如今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用燃?xì)廨啓C(jī)，論文給出了燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)方案，從而提高燃機(jī)市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
這篇電子高級(jí)工程師論文發(fā)表了燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，如今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用燃?xì)廨啓C(jī)，論文給出了燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)方案，從而提高燃機(jī)市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
摘要：本文在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)研制的技術(shù)積累基礎(chǔ)上，開展基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)研究，從燃?xì)廨啓C(jī)的電子控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)開始，具體闡述了模塊式控制系統(tǒng)軟件的層次劃分，控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)突出了Ethercat實(shí)時(shí)以太網(wǎng)軟件包設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：電子高級(jí)工程師論文,以太網(wǎng),燃機(jī)模塊,電子控制系統(tǒng),軟件設(shè)計(jì)
引言
隨著燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的廣泛使用，對(duì)控制性能的要求越來(lái)越高，其控制系統(tǒng)也迅速?gòu)囊簤簷C(jī)械式控制器發(fā)展為模擬式電子控制系統(tǒng),進(jìn)而發(fā)展成數(shù)字電子控制系統(tǒng)。到20世紀(jì)90年代,燃?xì)廨啓C(jī)開始全面配置數(shù)字電子控制系統(tǒng)。近年來(lái)，國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)字電子控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，實(shí)現(xiàn)了模塊化,并配置了菜單式的開發(fā)軟件。模塊化控制系統(tǒng)中通信總線是系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的橋梁，總線的可靠性是系統(tǒng)可靠性的保障，總線速度也直接影響到整個(gè)控制器的性能，因此必須選擇實(shí)時(shí)、可靠的通信總線。MIL-STD-1553B、ARINC-429等傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線可靠性高、使用靈活，工程上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但卻遭受速度瓶頸。工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)具有速度快、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等特點(diǎn)，它的發(fā)展使工業(yè)控制在通用化、模塊化、數(shù)據(jù)交換等方面都面臨新的技術(shù)革命，特別適用于分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。EtherCAT是由德國(guó)Beckhoff公司開發(fā)。采用以太網(wǎng)幀，以特定環(huán)狀拓?fù)浒l(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)，擁有杰出的通訊性能，接線簡(jiǎn)單，并對(duì)其它協(xié)議開放。
1.總體方案
1.1燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)方案
系統(tǒng)的控制對(duì)象是某型艦用中檔功率系列燃?xì)廨啓C(jī)，控制系統(tǒng)采用開放性的模塊結(jié)構(gòu)。電子控制器采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊設(shè)計(jì)，各模塊間采用最新的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethercat連接，控制軟件設(shè)計(jì)成可選擇、可配置的標(biāo)準(zhǔn)模塊和接口，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成通用的模塊化的部件和組件。這就使整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變?yōu)楣δ苣K的選擇、匹配和調(diào)整——根據(jù)燃機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)量和接口類型選擇合適的硬件模塊，根據(jù)特定控制規(guī)律和控制系統(tǒng)要求選擇、配置相應(yīng)的軟件模塊，根據(jù)燃油和導(dǎo)葉的控制要求選擇合適液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用的是成熟的模塊使各模塊功能、性能都有了保證，各部件僅需要進(jìn)行部分調(diào)整就能滿足要求，既縮短研發(fā)周期，又提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也便于今后實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)和功能擴(kuò)展。
1.2燃機(jī)控制系統(tǒng)組成
燃機(jī)控制系統(tǒng)包括綜合電子控制柜、系統(tǒng)軟件、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)等。液壓機(jī)械裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括高壓燃油泵、燃油計(jì)量裝置、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置等。各模塊可根據(jù)具體燃機(jī)要求配合使用。電子硬件通用模塊包括：電子控制器模塊、獨(dú)立保護(hù)模塊。系統(tǒng)軟件包含控制軟件和應(yīng)用軟件。控制系統(tǒng)接收來(lái)自控制室或監(jiān)控臺(tái)的控制信號(hào)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)、加速、減速、穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行以及停車和重要參數(shù)限制實(shí)施全面的自動(dòng)控制和安全保護(hù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)燃機(jī)輔助系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)燃機(jī)的故障診斷和重要參數(shù)的記錄、存貯和通訊。
2.控制軟件設(shè)計(jì)
2.1電子控制器方案介紹
電子控制器由主CPU模塊與AD模塊、DA模塊、FI模塊、IO模塊等低級(jí)模塊組成，各模塊自帶CPU處理器，模塊之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)模塊化設(shè)計(jì)，控制器的各種功能模塊之間用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)交互。各模塊可以集中在一起也可以分散到燃機(jī)的各部分，通過(guò)工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交流和控制。
2.2控制軟件分層設(shè)計(jì)
控制軟件包含CPU模塊的控制應(yīng)用軟件、其它通用模塊底層軟件組成。底層軟件與模塊一一對(duì)應(yīng)。模塊的底層軟件主要是實(shí)現(xiàn)通用模塊采集、輸出或信息交互功能，并與其它模塊通訊，傳遞和接受信息，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能。CPU模塊的控制應(yīng)用軟件通過(guò)與底層軟件，根據(jù)模塊的特點(diǎn)進(jìn)行功能的初始選擇和配置。初步設(shè)計(jì)的控制軟件層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，該層次結(jié)構(gòu)適用于主CPU模塊與所有低級(jí)功能模塊。由于低級(jí)功能模塊的任務(wù)都比較簡(jiǎn)單，所以并無(wú)必要采用實(shí)時(shí)內(nèi)核，主CPU模塊也需根據(jù)實(shí)際情況決定采用傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)還是基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的并行結(jié)構(gòu)。同一功能的器件在驅(qū)動(dòng)程序?qū)酉蝽攲犹峁┮恢碌慕涌冢谶@一層次中需要制定對(duì)外圍器件讀、寫、模式設(shè)置、中斷、輪詢等操作的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)模版。整理電子控制器硬件設(shè)計(jì)中常用的接口器件資料，針對(duì)這些器件編寫驅(qū)動(dòng)程序并用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序模塊的管理。
2.3控制軟件模塊化設(shè)計(jì)
控制軟件采用模塊設(shè)計(jì)，將燃機(jī)的主要控制過(guò)程、各種控制規(guī)律形成標(biāo)準(zhǔn)程序模塊。模塊劃分可層層分解，步步細(xì)化，當(dāng)針對(duì)具體燃機(jī)時(shí)只要選用合適的模塊進(jìn)行組合，并進(jìn)行對(duì)參數(shù)設(shè)置連接就可形成控制程序。程序的框架設(shè)計(jì)要保證其可擴(kuò)展性，根據(jù)燃機(jī)控制要求的變化，不斷的增加先進(jìn)控制規(guī)律、控制算法模塊提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。在對(duì)燃機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)后，建立對(duì)燃機(jī)控制軟件的通用框架結(jié)構(gòu)、模塊劃分準(zhǔn)則與模塊配置策略，通過(guò)更改模塊配置信息、模塊整體更換等方式靈活構(gòu)建可靠的燃機(jī)控制軟件。軟件模塊化按照由粗到細(xì)、由繁到簡(jiǎn)的指導(dǎo)方針，按步驟逐級(jí)細(xì)化，最終生成最基本的模塊單元。根據(jù)燃機(jī)控制系統(tǒng)的功能，將控制軟件劃分為基本數(shù)值計(jì)算模塊庫(kù)、信號(hào)處理模塊庫(kù)、故障處理模塊庫(kù)、起動(dòng)控制模塊庫(kù)、燃機(jī)運(yùn)行控制模塊庫(kù)、停車控制模塊庫(kù)、輔助系統(tǒng)控制模塊庫(kù)、底層軟件模塊庫(kù)、通訊協(xié)議模塊庫(kù)。模塊一般采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，與CPU相關(guān)的代碼采用匯編語(yǔ)言編寫，考慮到不同CPU的字長(zhǎng)、對(duì)齊方式等特性，模塊內(nèi)部均采用自定數(shù)據(jù)類型，且可通過(guò)外部進(jìn)行設(shè)置。
3.通訊軟件設(shè)計(jì)
EtherCAT通訊程序包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、EtherCAT接口模塊、EtherCAT設(shè)備模塊、主站模塊和從站模塊。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊完成底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收功能。EtherCAT接口模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT通訊程序與功能軟件的接口功能。EtherCAT設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT設(shè)備掃描和軟件初始化工作。主站模塊實(shí)現(xiàn)主站初始化命令和循環(huán)命令的發(fā)送處理，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)主站的狀態(tài)機(jī)。從站模塊實(shí)現(xiàn)從站設(shè)備的配置，同時(shí)維護(hù)從站設(shè)備的狀態(tài)機(jī)。
3.1Ethercat協(xié)議
EtherCAT是用于過(guò)程數(shù)據(jù)的優(yōu)化協(xié)議，憑借特殊的以太網(wǎng)類型，它可以在以太網(wǎng)幀內(nèi)直接傳送。EtherCAT幀可包括幾個(gè)EtherCAT報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯過(guò)程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域最大可達(dá)4GB字節(jié)。數(shù)據(jù)順序不依賴于網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)端子的物理順序，可任意編址。從站之間的廣播、多播和通訊均得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)最佳性能，且要求EtherCAT組件和控制器在同一子網(wǎng)操作時(shí)，則直接以太網(wǎng)幀傳輸就將派上用場(chǎng)。然而，EtherCAT不僅限于單個(gè)子網(wǎng)的應(yīng)用。EtherCATUDP將EtherCAT協(xié)議封裝為UDP/IP數(shù)據(jù)報(bào)文，這就意味著，任何以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制均可編址到EtherCAT系統(tǒng)之中，甚至通訊還可以通過(guò)路由器跨接到其它子網(wǎng)中。顯然，在這種變體結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)性能取決于控制的實(shí)時(shí)特性和以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)報(bào)文僅在第一個(gè)站才完成解包，所以EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的響應(yīng)時(shí)間基本不受影響。另外，根據(jù)主/從數(shù)據(jù)交換原理，EtherCAT也非常適合控制器之間(主/從)的通訊。自由編址的網(wǎng)絡(luò)變量可用于過(guò)程數(shù)據(jù)以及參數(shù)、診斷、編程和各種遠(yuǎn)程控制服務(wù)，滿足廣泛的應(yīng)用需求。主站/從站與主站/主站之間的數(shù)據(jù)通訊接口也相同。從站到從站的通訊則有兩種機(jī)制以供選擇。一種機(jī)制是，上游設(shè)備和下游設(shè)備可以在同一周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)通訊，速度非常快。由于這種方法與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)，因此適用于由設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)所決定的從站到從站的通訊，如打印或包裝應(yīng)用等。而對(duì)于自由配置的從站到從站的通訊，則可以采用第二種機(jī)制—數(shù)據(jù)通過(guò)主站進(jìn)行中繼。這種機(jī)制需要兩個(gè)周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此該過(guò)程耗時(shí)仍然快于采用其他方法所耗費(fèi)的時(shí)間。EtherCAT僅使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀，無(wú)任何壓縮。因此，EtherCAT以太網(wǎng)幀可以通過(guò)任何以太網(wǎng)MAC發(fā)送，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)工具。
3.2主站軟件設(shè)計(jì)
EtherCAT可以在單個(gè)以太網(wǎng)幀中最多實(shí)現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過(guò)程數(shù)據(jù)通訊。其它解決方案一般是，主站設(shè)備需要在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期中為各個(gè)節(jié)點(diǎn)處理、發(fā)送和接收幀。而EtherCAT系統(tǒng)與此不同之處在于，每周期僅需要一個(gè)或兩個(gè)幀即可完成所有節(jié)點(diǎn)全部通訊，因此，EtherCAT主站不需要專用的通訊處理器。主站功能幾乎不會(huì)給主機(jī)CPU帶來(lái)任何負(fù)擔(dān)，處理任務(wù)的同時(shí)，還可處理應(yīng)用程序，因此EtherCAT無(wú)需使用昂貴的專用有源插接卡，只需使用無(wú)源的NIC卡或主板集成的以太網(wǎng)MAC設(shè)備即可。EtherCAT主站容易實(shí)現(xiàn)，尤其適用于中小規(guī)模的控制系統(tǒng)和有明確規(guī)定的應(yīng)用場(chǎng)合。EtherCAT映射不是在主站產(chǎn)生，而是在從站產(chǎn)生，此時(shí)過(guò)程映像已經(jīng)完成排序。該特性進(jìn)一步減輕了主機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)。可以看到，EtherCAT主站完全在主機(jī)CPU中采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，相比之下，傳統(tǒng)的慢速現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通過(guò)有源插接卡方可實(shí)現(xiàn)主站的方式則要占用更多的資源，甚至服務(wù)于DPRAM的有源卡本身也將占用可觀的主機(jī)資源。
3.3從站軟件設(shè)計(jì)
子站模塊劃分為A/D采樣模塊、頻率量模塊、LVDT及振動(dòng)信號(hào)處理模塊、熱電阻信號(hào)處理模塊、熱電偶信號(hào)處理模塊、壓力信號(hào)處理模塊、電流電壓信號(hào)處理模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸入1模塊、開關(guān)量輸入2模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸出模塊1、模擬量輸出模塊2，備份槽。主程序通過(guò)不同的功能要求調(diào)用軟件塊。軟件模塊設(shè)計(jì)的基本原則是數(shù)據(jù)隱藏，即各模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)私有，并提供外部接口訪問(wèn)這些私有數(shù)據(jù)，各模塊之間相互獨(dú)立，從而降低各模塊之間的耦合程度。整個(gè)框架提供諸多配置接口，具有一定的通用性。子站模塊實(shí)現(xiàn)的功能為DSP外設(shè)初始化;獲取通道信息;獲取開關(guān)量輸入、擬量輸入、頻率量輸入信號(hào);輸出開關(guān)量、PWM信號(hào);FLASH存儲(chǔ)器操作;定時(shí)器的啟停、看門狗操作等。
4.結(jié)束語(yǔ)
在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)研制的技術(shù)積累基礎(chǔ)上，開展基于網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的燃機(jī)模塊式電子器研究工作，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、具有國(guó)際先進(jìn)水平的燃機(jī)模塊式電子控制系統(tǒng)，不僅可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠打破燃機(jī)電子控制系統(tǒng)被國(guó)外公司壟斷的局面，極大提高燃機(jī)市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)
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作者：王成玖 單位：中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所
推薦期刊：《電訊技術(shù)》Telecommunication Engineering(月刊)創(chuàng)刊于1958年，系國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的、理論與應(yīng)用相結(jié)合的綜合性電子專業(yè)科技刊物，為中文核心期刊。
