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基于混合网络的车辆试风控制系统的分析pdf

归档日期:06-24       文本归类:帧控制字段      文章编辑:爱尚语录

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  ,1!京充迈i梦硕士学位论文 networkgate,CAN Busnode,remotedevice.Andalsoinclude monitoringprorgaminPC Atlast,throughthefieldapplication,wecanconcludethatthe systemiswellsuitfortheSingleTrainCompartmentBrakeTesting. Then,analyzedtheacademicmeaninganddesigningoneconomical aspect.Therealsogivethesuggestionsonthedisadvantage. Keywords:HybridNetworks,CANBus,SingleTrainCompartment BrakeTesting,WirelessCommunicationProtocol 硕十学位论文 ;t`x交}fT 第一章 绪论 随着我国科技的发展,列车的不断提速,对列车运行可靠性和 安全性的要求也越来越高。同时,自动化动技术、计算机技术以及 通信技术发展得越来越成熟。在这种情况下,机车和车辆设备段修 和厂修时采用的性能试验监测系统的安全性、可靠性和信息化要求 也己经相应提高。 通过计算机网络及控制网络的各自发展,可以把人与人、设备 与设备密切的连接起来。网络的发展趋势与铁路行业的发展密切相 连,网络在铁路的各个方向上都迅猛的发展起来。在列车车辆试风 试验中,网络与之相结合也是科技发展新趋势。 ,.,车辆试风系统简介 ,.,.,传统车辆试风系统概述 近几年来,随着铁道部几次大规模提速,给车辆段检修车辆质 量提出了更高的要求。现在铁路系统在进行货车空气制动实验时, 主要使用的传统的铁路车辆单车试风微机控制系统,如天津东车辆 段研制开发的TDH-1型微机控制货车空气制动单车实验器。该试验 器同单片机制动控制系统、手动电气控制系统、空气关路等部分组 成,用压力传感器采集列车管压力信号,用16KRAM,32KROM存 储测试数据和控制程序,试验完毕后用小型打印机打印出试验结果。 经过长期的应用,发现它有如下的缺点: (1)操作烦琐。对每一个进库的车辆,实验开始前均需要输入这 一车辆的相关数据,如车型、车号、闸调器编号,对于每一次针对 一个车厢的试验均需要打出一次试验结果报表。 (2)不利于随时检查工作进度,如果要统计当前的实验进度,需 要统计人员依次询问每一个车辆的实验情况。 P京文迈关事硕士学位论文 (3)安全性不够高,且工人在实施试验过程时有可能作弊。 1.1.2问题的提出 由于传统车辆试风系统存在着多种弊端,诸如汇总报表时,申 报材料仍然沿用旧有的报表系统,有的甚至要依靠人工还传送。这 就使得工作效率大大的降低,造成人力和物力的损失。并且当车辆 段要求对数据进行较长时间的保存或运用MIS系统进行管理和统计 时,还必须由人工将所有的数据全部录入。既浪费时间又可能出错, 信息不能及时应用。因此如果要利用现有的通信技术及网络技术, 结合己有的MIS系统。改革现有的数据交换方式,利用网络来共享 数据,提高管理效率,将为改革现行的制动检修制度打下良好的基 础。 本系统要实现一个气动控制系统、有线通信和无线通信的混合 网络总线控制系统及数据库系统的综合控制系统。具体就是现场节 点能对试风设备进行智能控制,现场节点之间进行数据交换,并且 将现场数据传送至上位工控机,实现数据库和现场总线的有机结合, 进而进行进一步远程监管。 1.2CAN(ControlAreaNetwork)总线.,现场总线概述 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准 的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技 术、集成电路技术的发展,以全数字式现场总线 (FIELDBUS)为代 表的互联规范,正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制 系统结构简单,系统安装费用减少并且易于维护;用户可以自由选 择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的 优点,现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场 总线的国际标准不能建立,现场总线余种: )t京交迈义事硕士学位论文 如德国西门子公司Siemens的ProfiBus,法国的FIP,英国的ERA, 挪威的FINT,Echelon公司的LONWorks,PhenixContact公司的 InterBus,RoberBosch公司的CAN,Rosemount公司的HART, CarloGarazzi公司的Dupline,丹麦ProcessData公司的P-net, PeterHans公司的 F-Mux,以及 ASI(ActraturSensorInterface), MODBus,SDS,Arcnet,国际标准组织一基金会现场总线 FF: FieldBusFoundation,WOrldFlP,BitBus,美国的 DeviceNet与 ControlNet等等。 现场总路线进入我国的原型是BITBUS,此后RS-422,RS-485 的通讯标准深入到了冶金、建材、电力、石化乃至军工、航天等行 业领域,成为学术界、技术界熟知的标准。随着新技术的发展和引 进,CAN总线、LonWorks,ProfiBus,FF总线等相继大力引进入我 国生产行业的各个方面。 采用现场总线的系统具有以下特点: (1)系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性,强 调对标准的共识与遵从。一个开放系统,是指它可以与世界上任何 地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开,各 不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力 于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 (2)互可操作性与互用性 互可操作性,是指实现互连设备间、 系统间的信息传送与沟通,而互用则意味着不同生产厂家的性能类 似的设备可实现相互替换。 (3)现场设备的智能化与功能自治性 它将传感器、补偿计算、 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即 可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。 (4)系统结构的高度分散性 现场总线已构成一新的全分散性控 制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的 集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。 (5)对现场环境的适应性 工作在生产现场前端,作为工厂网络 底层的现场总线,是专为现场环境设计的,可支持双绞线、同轴电 pi交迈关事硕十学位论文 缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能 采用两线CAN总线介绍 控制器局域网((CAN,ControlAreaNetwork)是一种串行通信总 线,它特别适合于在一个局域系统或子系统中连接传感器、驱动器 等智能设备。它最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量 与执行器件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织 制订为国际标准。由于得到了Motorola,Intel,Philip,Siemence, NEC等公司的支持,它广泛应用在离散控制领域。其信号传输介质 为双绞线。通信速率最高可达 IMbps/40m,直接传输距离最远可 达IOkm/5kbps。可挂接设备数最多可达110个。 CAN是一种具有多主通信能力的串行总线,即所有的CAN节 点都可发送数据并且几个CAN节点可以同时向总线发出发送请求。 这些特点正是ISO11898[1]标准所规定的具有实时通信能力串行总 线的要求,而且 CAN也包含了国际标准化组织/开放系统互联 (ISO/OSI)的最低两层协议及顶层的应用层。CAN 网络中没有传 统意义上的接收器或节点的地址,取而代之的是采用发送不同优先 级的信息。一个发送节点向所有的CAN节点同时发送信息 (广播方 式)。每个节点依据信息的标识符来判断是否接受并处理此信息。信 息标识符同时也决定了此信息在总线控制权竞争中的优先级。 欧洲客运轿车中绝大多数都安装了CAN,货运及非公路运输车 辆的生产商也大量采用CANCAN芯片己经大批量生产超过10年。 在家用电器及工业控制领域CAN也越来越多的被采用。国外已有许 多大公司的产品采用了这一技术。CAN最初是为汽车监测、控制系 统而设计的。现代汽车越来越多地采用了电子装置控制,如发动机 的定时、注油控制,加速、刹车控制 (ASC)及复杂的抗锁定刹车 系统((ABS)等。由于这些控制需要检测及交换大量数据,采用硬接信 号线的方法不但繁琐、昂贵,而且难以解决问题,采用CAN总线I文迈义事硕士学位论文 上述问题变得到很好的解决。据资料介绍,世界上一些著名的汽车 制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、 ROLLS-ROYCE(莱施莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都已开始采用或 已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构 间的数据通信。 由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前己不再局限于汽车 行业,而向过程工业,机械工业,纺织机械,农用机械,机器人、 数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准, 并己被公认为几种最有前途的现场总线之一。 CAN有如下特性: (1)CAN可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意 时刻主动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从,通讯方式 灵活。CAN可以点对点,一点对多点 (成组)及全局广播几种方式 传送接收数据。 (2)系统灵活性,可以随时增加或删除节点,而不需修改任何硬 件和软件。同时CAN节点在错误严重的情况下,具有目动关闭总线 的功能,切断它与总线的联系,以使总线上的其他操作不受影响。 区别节点临时性错误还是永久性故障,并自动关闭故障节点,保证 系统正常运行。 (3)CAN网络上的节点(信息)可分成不同的优先级,可以满足 不同的实时要求。同时CAN采用非破坏性总线裁决技术,当两个节 点同时向网络上传送信息时,优先级低的节点主动停止数据发送, 而优先级高的节点可不收影响地继续传输数据,大大节省了总线冲 突裁决时间,而且总线一旦再次空闲,以损报文将自动重新发送; 最重要的是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 砰)CAN采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,这样传输 的时间短,受干扰的概率低,且具有极好的检错效果。同时CAN每 帧信息都有CRC校验及其它检错措施,保证了数据出错率极低。 ;l交迈关季硕士学位论文 1.2.3CAN总线的独特优点 虽然CAN总线、LonWorks总线、Profibus总线及其它总线均得 到了广泛的推广和应用,这些现场总线各有其特点。但CAN总线以 其特有的优势在该系统的设计中得到了应用。 (1)CAN协议最突出的特点之一是其具有很高的数据传输可靠 性。CAN控制器记录一个节点的错误,统计并评估将采取何种相应 对策。如此节点不断产生错误它将被与网络自动脱离。 (2)CAN的最大传输速度被定义为1Mbills。在此通信速度下网 络长度可达40米。如加长网络长度通信速度必须降低:在500米长 度可达125kbills,在1千米时可达50kbit/s. 在三种总线的开发中,CAN总线的开发费用最低。可以购置 CAN控制器SJA1000和收发器82C250与一般的单片机微控制器 MCU构成一个控制系统,也可以直接购买内嵌CAN控制器的小型 嵌入式MCU, 门.3无线掀据传编技术及相关应用 1.3.1无线数据传翰技术 随着计算机应用的普及、国民经济信息化的发展以及数字化时 代的到来,各行各业对信息通信和交换的要求也日益扩大。在数据 的传输过程中,存在着有线传输方式和无线传输方式。有线传输方 式具有准确率高,实时快捷等优点,但是在某些特殊场合却不适用。 因此,无线数据传输方式在这种背景下出现,它以无线信道作为传 输媒介。不用专门敷设专用线路,具有可移动,方便等特性。 现阶段,无线数据传输技术主要有基带传输和频带传输两种方 式。在无线局域网上,对于高速数据传输有 IEEE802.1工、蓝牙、 HomeRF等众多协议。在工业自动化控制领域,多采用FSK,MSK 等多种调制传输方式。产品具有安装维护方便、绕射能力强、组网 结构灵活、小范围覆盖等特点,适合于点多而分散、地理环境复杂 J1京交}f事硕士学位论文 等应用场合能。可广泛应用于电力、抄表、环保、保安、银行、云 台控制、报警、GPS定位信息回传、GIS等领域的监控、采集数据 的实时传送,满足客户对于数据实时性、准确性的要求,大大降低 人员劳动强度和企业运营成本。 1.3.2无线数据传输技术的应用现状 无线数据传输技术现阶段已广泛应用于生产生活的各个行业, 与我们的日常生活密切相关,从手机到移动式计算机都有无线数据 传输技术的存在,为我们的生活创造了极大的价值。同时,在工业 领域,广泛应用于各个行业,如矿业系统、电力系统、铁路系统、 军工系统,发挥着举足轻重的作用。 石油工业 油矿的地形起伏不平,敷设电缆后不易传导,而且电缆穿过炼 油厂可能是潜在的危险。无线网连接可提供从钻井台到压缩机房的 数据链路以便显示和输入由钻井获取的重要数据。海上钻井平台由 于宽大的水域阻隔,数据和资料的传输比较困难。敷设光缆费用又 很高,施工难度很大。使用无线网技术,费用不及敷设光缆的十分 之一,效率高,质量好。 运输行业 铁路运输货场和码头货场,由于大型吊车,运输道路和货物通 道不能敷设电缆,使用步话机报告货位和货号极易产生差错,无线 计算机网络可以把货物情况和资料直接传输到计算机中进行处理, 大大提高了工作效率和服务质量,避免了不必要的差错。 医疗行业 现在很多医院都有了计算机管理系统、大量的计算机病人监护 设备、计算机控制的医疗装置和药品等库存计算机管理系统。无线 网络可以使医疗专家和管理者在医院内的任何地方使用移动和手持 计算机设备方便地存取这些信息。利用无线网,医生和护士在设置 计算机专线的病房、诊室或急救中进行汇诊、查房、手术时可以不 )t京交迈f71*硕士学位论文 必带着沉重的病例,而使用笔记本电脑实时记录医嘱,并传递处置 意见,查询病人病历和检索药品,还可以访问中央专家系统以帮助 诊断或预测药物的相互作用和反应。 制造行业 制造工厂往往不能敷设连到计算机的电缆,在加固混凝土的地 板下面也无法敷设计算机电缆,空中起重机使人很难在空中布线, 零备件及货物运输通道使得也不便在地面布线。这种情况使用数字 化制造设备、数字采集装置、机器人设备时应用无线网络是很合适 的。工程师和技术人员在进行检修,更改产品设计,讨论工程方案 以及其他技术处理时,可以利用无线网在工厂车间或厂区的任何地 方查阅技术档案、工程工艺和过程图,发出技术指令,请求技术求 援,甚至和厂外专家讨论问题。 1.4本文工作 本文在以前存在系统的基础上介绍分析了混合网络试风控制系 统的总体设计思路。设计符合试风系统应用的无线数据传输协议, 具体分为物理层、数据链路层和应用层三层,并着重指出了链路层 和应用层的工作过程及协议方式。对无线数据传输协议的实时性、 可靠性进行研究分析,指出尚存在的一定不足。本文还对试风系统 的整体硬件设计及相应软件设计进行了具体的工作:CAN节点控 制系统设计及软硬件实现,无线遥控节点的设计及软件硬件实现。 并对混合网络网关的结构给出解决方法及C++Builder语言实现。 pi文迈关事硕士学位论文 第二章 试风控制系统的总体设计 2.,试风系统总体结构设计 微控试风系统作为一个总线通讯与气动装置相结合的系统,包 括现场总线、无线通讯、遥控系统、气路系统和执行机构等多个方 面。下面就试风系统的系统模型及总体结构给出具体介绍。 2.1.,试风系统的系统模型 微控试风系统从本质上来说,是一个分布式的控制系统。从结 构上来看它应该是也必须是一个分层结构。同时,整个系统应该具 有开放性和实时性。 其系统模型如图2-1所示。 现场装置 执行机构 气路系统 遥控模块 图2-1微控试风系统的系统模型 开放性是现代工业计算机控制系统的一个十分重要的概念。一 般,开放性具有三层含义:第一是指系统结构和器件具有向上兼容 的性能即结构与器件的开放性;第二是指能实现灵活的配置以适应 不同层次和不同级别的要求,即向用户开放;第三是指能满足特殊 }!.充通又乎硕士学位论文 要求的配置即向特定的功能开放。一般来说开放性是通过标准化来 实现的。根据列车控制系统的结构模型,控制机和控制网络的标准 化是实现微机控制系统开放性的基础。控制机的标准化主要是总线 的标准化。控制网络的标准化主要是指它的网络体系结构模型的标 准化和协议的标准化。 实时性是铁路单车试风微机控制系统最重要的性能指标之一。 随着系统信息化和数字化速度的提高,控制系统的实时性将越来越 重要。铁路单车试风控制系统的响应时间应该是毫秒级的。控制系 统的响应时间T由网络响应时间(Tn)和各层控制机的响应时间(Tc) 构成,即T=Ts十Tc。网络响应时间主要取决于对信道的占用,而对 信道使用权调度算法的核心是介质存取方法。各层控制机的响应时 间则取决于底层控制MCU内核的调度和程序的设计。 2.1.2系统总体结构框图 混合网络试风系统要实现所需求的功能,包括五大部分:执行 机构,下位CAN节点,混合网关,遥控设备,上位监控软件。遥控 设备和下位 CAN节点的控制部分组成整个系统的控制系统。CAN 总线网络、混合网关和无线通信网络组成整个系统的通信系统。执 行机构为试风系统的操作实施装置。图2-2为系统总体结构框图: 控制系统主要由液晶显示屏、CAN节点控制面板、遥控设备组 成。在具体数据流控制上,由CAN节点面板发送指令;CAN节点 接受指令,完成控制动作,并在试验成功后向信息数据库发送成功 消息;信息数据库在收到成功信息后向CAN节点发送收到的反馈信 息。或由遥控设备发送指令,通过混合网络通信将数据传输至CAN 节故作多情。完成控制动作,并向数据记录成功信息。设备的主要 任务是根据操纵面板给出的命令对单车试风控制系统进行操控,在 各个功能上保证运行要求的实现,如指那些直接面向现场完成 I/O 处理 (冲/排气控制)或者A/D变换压力采集等智能化装置。 通信系统主要应完成系统中数据的正确实时传输,其中包括 ?;,l文迈}?硕士学位论文 CAN总线中数据的传输及无线网络中数据的传输。使用CAN2.0协 议和无线网络协议,并且通过混合网关达到两种不同协议下,有效 数据应该能够在遥控设备和CAN节点中得到正确的传送。 图2一试风系统总体结构图 作为一个相对完整的系统,它应该有监控记录部分。选用一台 工业控制计算机作为接口和显示用,并通过它连接到企业局域网上。 为了和现场控制节点进行数据通信,本系统设计了一个和工业控制 计算机连接的CAN-232通信卡。现场节点之间及现场节点和通信卡 之间通过CAN总线来进行通信。通信卡主要负责工业主机和现场节 点及遥控设备的通信。 该系统结合现场总线技术和无线通信技术,使铁路货车的试风 试验由过去的单机试验转变为分布式控制网络,并且利用上位机的 数据库来完成试验过程中各种试验参数的纪录和汇总。具有可靠性 高、维护方便、劳动强度低、易升级等特点,可适用于货车各种型 号制动机的制动性能的检测要求,升级试验程序后,也可用于客车 制动机的性能检测。 系统使用时,开工前由工长将一天的计划输入上位机 (台位、 P京交迈关事硕士学位论文 车型、车号、阀型、制动缸类型等):试验时起升试验装置,连接试 风管,打开下位机,试验者通过操作面板输入自己的工牌号后就可 从上位机得到相应台位的所有试验参数,可自动连续试验,也可选 择试验步骤进行试验,试验过程按相应阀型的试验流程提示相应信 息,试验失败自动提示重新试验,试验成功后,结果自动传入上位 机更新数据库保存。收工时,可打印出试验车统一47报表,也可在 任意时间集中打印。 2.2执行机构的设计 2.2.,试风装皿气路构造 试风装置用到的介质是空气,通过对气压回路的状态检测达到 试风检修的目的。时刻都存在着制动缸、制动管和其它元件被充气 或排气的过程。气路的构造也是很重要的一个环节。 1,气路组成 主要由过滤器、油雾器两联件、控制集成块、电磁阀、风阀门、 双针压力表、输入输出连接器及软管组成。 2,气路框图:如图2-3所示。 气源 双针压力表 进列车管 气阀3 气阀4 气阀5 气 阀6 气阀7 图2-3试风系统气路框图 ;;未交遥z挚硕士学位论文 (1)气动两联件 用于对风源的过滤、净化、系统风压的调节,确保电磁阀动作 可靠、试验风压在500KPa。 (2)控制集成块 是气路控制中心。采用集成块可以保证气路的可靠性,减少泄 漏。 (3)气阀(电磁阀)1—7 用于各位置状态的气路控制,动作速度快,工作可靠。维修方 便。 阀号及其功能对应关系如表2.1所示 阀号 功能 阀1 1位快充风电磁阀 阀2 2位缓充风电磁阀 阀3 感度试验电磁阀 阀4 安定试验电磁阀 阀5 紧急试验电磁阀 阀6 改造后120阀安定试验电磁阀 阀7 改造后120阀紧急试验电磁阀 表2-1阀门对应功能表 (4)双针压力表 用于实验过程中的风源与列车管风压显示。 (5)输入输出连接器及软管 输入输出连接器采用快速接头,使用方便。输入输出软管按铁 标配置。 2.2.2试风装置布置 试风装置主要由系统气动升降装置,控制风路的控制阊组、电 子控制通信单元及风管等组成。试验时,搬动提升手柄将试风装置 升起,将风管和车体的风管相接,打开电源开关即可进行试验。试 j#未交遁z挚碗士学位论文 风装置布置如图2-4所示 图2.4试风装置分布图 2.3网络通信系统的总体设计 2.3.1系统设计选型 2,3,1。1组网方式选择 在有线数据传输过程中,现阶段多种组网方式并存,如TCP/IP 技术、RS485总线技术、现场总线技术。在比较过程中发现,TCP/IP 技术适合于组建Internet,协议族众多,应用繁琐且确定性差,适合 连接的是具有复杂功能的计算机系统。但是不适合于组建工业现场 级的控制网络。RS485总线为主从结构,其固有的单主特性方式决 定了不适合于本系统。而各种现场总线技术从它提出的开始,就是 为了提高自动控制领域的网络性能。而CAN总线与其它总线方式相 比较,以其具有的协议简洁、极高的数据传输可靠性和传输速率、 较低廉的开发成本成为本系统的优先选择的组网方式,实际效果也 证明:应用CAN总线方式组网是正确的。 在无线数据传输的过程中,选择FC.201微功率无线数据传输模 块。FC一201模块采用FSK调制方式,采用国际上通用ISM数传频 率,具有体积小、功耗低、稳定性及可靠性极高的特点。因此选择 14 岁}童交《又挚硕士学位论文 具有特定频点的无线数传模块作为无线数据传输的组网方式。 2.3.1.2网络拓扑结构选型 常用的网络拓扑结构有以下三种:星型、环型和总线)星 型拓扑结构:将分布于各处的多个结点连接到处于中心位置的主结 点上。任何两个节点之间的通信都要通过主结点,这个主节点集中 来自各分散站的信息,按照一种集中式的通信控制策略,把集中到 主结点的信息转发给相应的节点。(2)环型拓扑结构:环型拓扑中各 个结点连接到环型网络上。所有分散结点用能信线路连接成环型网 络,通过逐个结点传递来达到线路的共用,网上信息沿单方向围绕 着线路进行循环(顺时针或逆时针),环路中各节点自举控制。(3)总 线型拓扑结构:总线型拓扑结构采用了一条公用通信线将各结点连 接在一起。所有的节点通过相应的硬件接口直接的连接在总线上, 任何一个节点的信息都采用了广播式沿总线传播,并能够被所有节 点接收。 从常用的拓扑结构看,控制网络通信系统的有线数据传输选择 总线型拓扑结构是最佳选择。总线网络拓扑结构相对来说比较容易 安装,配置简单,很容易增加节点和删除节点,同时信道利用率高, 价格相对便宜。这种结构在工业上的应用已经得到广泛验证。对于 无线数据传输的拓扑选型,根据本系统所要求的特点。无线数据传 输速率要求不高,具有主节点按照信息的来源进行分配调划,并下 传给CAN总线进行控制。在无线传输过程中,主节点由上位计算机 来承担,作为无线数据传输的核心数据控制单元,具有重要的作用。 每个无线节点只与主节点进行数据传输,不与其它节点进行通讯。 因此,无线数据传输中选择星型拓扑结构对本系统来说是最佳拓扑 方式。在有线网络与无线网络的数据传输过程中,数据都通过上位 主计算机进行调控。 上位计算机对于CAN总线系统作为一个单独的节点存在,对于 无线传输系统作为其星型网络结构的主节点存在。所以,在整个系 统之中,上位计算机是一个连接沟通有线网络和无线网络的网关, j}素交通名挚硕士学位论文 发挥着重要的作用。 2.3.2通信系统网络拓扑 根据网络选型和有线网络、无线网络的综合因素。网络通信系 统的拓扑模型如图2—5所示。有线网络采用总线型网络拓扑,无线 网络采用星型网络拓扑,两种网络通过网关连接起来。 CAN总线 CAN节点 CAN节点 图2-5混合网络拓扑模型 2.3.3通信系统网络总体结构模型 综上,根据设计要求,我们可以将试风系统的网络通信结构模 型表示出来。如图2-6所示。其中包括有线数据传输网络.CAN总线, 无线数据传输网络及两个网之间的桥梁一混合网络的网关。 在通信系统网络中,有线网络CAN总线A协议进行 数据的传输,无线网络的数据传输方式是本文自行设定的一种实时 无线协议,此协议具有适应本系统特点,可靠性好等优点。具体设 计分析于本文第三章中详述。无线网络与有线 j}未交逆欠挚硕士学位论文 行数据的交换和沟通。 图2-6通信系统网络总体结构模型 2.4控镧节点的总体设计 在此试风系统的总体结构中,控制节点有两种类型:CAN总线 控制节点、无线遥控节点。这两总节点的功能各自不同,其总体设 计介绍如下。 j;,1文`f察硕士学位论文 2.4.1CAN总线控制节点的总体结构设计 在系统中,CAN控制节点要完成的功能有:接收、识别上位机 通信卡传送来的报文;数据采集— 实时采集控制节系统中的气压 信号;根据工作流程控制气压阀的开关来满足试验测试的需要;按 要求完成特定的控制功能;向外收发数据及向上位机汇报试验成功 信息,等待接收上位机收到的确认信息。按功能可以分为:数据采 集、1/O量输入输出、CAN控制模块、中心处理单元。其中I/O量输 出16路,输入8路,A/D转换8路。 根据CAN节点需要完成的功能,通过比较各大单片机生产厂家 的产品,选定ATMEL公司的AVRmega128作为CAN节点的核心 CPU,PHILIPS公司的SJA1000作为CAN控制器。其系统结构框图 如图2-7所示。 骤 液晶显示 CPU 光电隔离 习 控制电路 ︸ AN节点模块 巨 图2-7CAN节点结构框图 在功能上,CAN模块完成有线网络数据的通信;液晶控制模块 完成试验状态的显示和手动控制的完成。 2.4.2无线遥控设备的总体结构设计 无线遥控节点是本文设计的一个主要环节,其中包括遥控节点 的硬件设计和基于无线协议的软件设计。无线节点中要完成的功能 )!,l交道义事硕士学位论、 有:实现无线数据传输,接收混合网关传送数据并在液晶屏上显示 当前试验状态,输入有效试验信息;实现电源管理。其结构框图如 图2-8所示。 图2-8遥控设备结构框图 )dA丈道又季硕士学位论文 第三章试风控制系统无线通信协议的设计及分析 3.,无线通信系统方案设计 无线遥控通信协议设计的关键在于根据实际应用系统数据传输 的需要和物理线路设备的复杂性的实际情况,确定各协议层的数据 信息格式。以及它们之间的联系的处理方式。对于可靠的实时的数 据通信来说,各层协议应该建立上下层严格的数据交接次序以及在 保证处理时延的条件下,对异常出错应有可预见性及相应及时的处 理方法,保证通信正常的进行。 3.1.1无线通信系统设计要求 对于一个实用的无线遥控通信系统的技术要求是: (1)准确度要高 系统发出的遥控指令一定要准确无误的执行,否则将造成无可 挽回的损失,作为先决条件,系统的测量参数也要有一定的精度。 (2)反应速度快— 实时性 系统的传输速度取决于系统的结构和通信速率,应该根据具体 系统的速度要求来选择。试风系统对于实时性来说有一定的要求, 过长甚至未知的等待时间会降低工作效率,而且会使操作者不习惯 而造成误动作。 (3)抗干扰性要强 要求在有各种干扰(天气、射电、宇宙噪声、广播、工业干扰和 各种突发性脉冲干扰等)的情况下仍能保证系统的正常工作,因此在 设计遥控系统时要采取差错校验、纠错编码等各种抗干扰措施。 (4)工作安全,可靠 试风系统是在车辆检修的车间进行作业,对遥控设备需要进行 远距离操纵和监控,而且作业环境的工况往往比较恶劣,因此对设 )!k充迈又笋硕士学位论文 备的可靠性要求较高。设备上控制电路在执行机构发生故障或系统 受到干扰时能迅速做出保护性反应,以免发生事故。 试风系统的遥控通信系统不同于一般的工业遥控系统,一方面 要完成对从端执行系统的控制;另一方面还在完成对有线控制系统 的实时同步的协调。一个完整的遥控通信系统不公要将控制指令实 时传送到从端,而且还要将执行装置的状态参数反馈回操纵端。本 文研究的试风系统的遥控通信系统,主要技术要求如下: 1、能实现无线遥控和从端直接操纵两种模式的平滑切换。 2、具有由有线通信方式和无线通信方式相结合的特点,数据具 有兼容性。 3、具有强大灵活的软硬件平台以及良好的可扩充性,提供系统 升级的接口。 3.1.2无线通信系统功能原理分析 图3-,是试风系统无线通信系统功能框图,给出了遥控通信系统 主从实时数据信息交换、任务输入与控制、系统状态信息反馈以及 执行机构之间的祸合关系。信息交换部分是实现遥控的必要保证, 它为系统提供了一条保证实时、数据交换无差错的无线通道,使得 对于任务控制部分来说,只要处理实时的任务控制信息或者状态反 馈信息,而不必去关心具体的数据交换细节,这样可以大大降低控 制和数据交换的复杂性。 图3-I试风系统无线通信系统功能框图 六,1交if`硕士学位论文 试风系统的遥控装置和执行机构分别处于两端,它们需要进行 双方的通信来获取对方的任务指示与当前的信息状况,以保证双方 任务的协调进行。其中,对于遥控通信系统来说,任务指令信息传 输的实时性和准确性要求是系统设计最为关注的问题。对于试风系 统中,从某种意义上来说,其作业任务的实时性是在保证数据传输 的准确性前提下的要求:因为对于执行机构系统来说不可恢复的错 误数据是不能利用的,系统也不可能去执行错误的指令而导致不可 预料的结果。可见,无线数据通信系统设计需要考虑和解决的是通 信的可靠性和实时性的问题。 试风系统是在需要移动的恶劣环境下完成通信,必须借助抗干 扰能力强的无线电通信手段来提高信息传输的可靠性。一方面,需 要充分的研究移动信道的特征,选择合适的无线频段,传输数据时 采用抗干扰能力强的数字调制解调方式;另一方面,传输系统中加 入某种类型的差错控制技术,使接收数据端具有检错和纠正信息错 误的能力,使绝大部分错误都能通过差错控制系统予以纠正,从而 保证通信的质量。试风系统中无线数据通信的功能就考虑了上述问 题。其中,无线信道主要参考无线电波传输特性,遥控通信的频段 通常选择在VHF/UHF波段(150-1OOOMHz)中的部分为宜,主要原 因在于该频段频率高,波长短,使得天线比较简单,信号对障碍物 的绕射能力强,便于遥控通信设备使用,另外该频段具有搞干扰能 力强的特点。对于目前应用于数据传输的数字调制解调技术,常用 的有幅度键控(ASK)、频率键控((FSK)、相位键控((PSK)以及其它高效 数字调制(MSK)等,其中FSK和PSK的非线性能力较强,作者设计 的无线通信系统主要考虑采用这两种制式或者其改良调制方式的无 线数据传输模块。 为提高试风系统的实时控制性,一方面可以通过提高物理信道 的信息传输速率来减少信息的传播时间:另一方面,更重要的也是 更值得关心的是从遥控设备和执行设备软件系统之间的信息交换角 度去考虑,提取试风实验关键的特征信息,控制反馈参数,降低信 息冗余来达到提高数据传输的有效性的目的,这是在有限传输速率 p,文道又梦硕士学位论文 的通信信道上提高实时能信的有效解决方法。由于试风系统的结构 复杂,系统资源丰富,执行机构不仅需要分析气路的传感器信息, 而且还要随时根据遥控设备的指令信息调整不同任务的控制策略以 及同一任务各子进程的底层控制指令和参数等,整个系统交换的所 有系统信息势必将大大加大双方通信的任务从而增长系统响应时 间,考虑到执行机构的任务控制结构以及任务对信息需求和信息表 达方式的差异,软件控制系统需要对当前任务指令分解、执行,而 且每一个任务子层利用底层的数据信息进行处理并对底层进行控 制,而对上层提供的是能完全表征控制特性和内容的最少编码反馈 信息,已经去除上层无需关注的冗余信息。比如执行机构根据上层 提供的指令信息和传感器信息进行处理和对底层驱动控制、给遥控 设备提供的则是表征执行层信息特征的数据参数而不是复杂的各种 气路数据和编码信息。从通信信道传输速率来看,在上端高速处理 器CPU任务处理时间远比下端控制指令的数据传输时间要短得多, 这个得用系统本身的条件以及用更小量信息来完整表述系统任务的 方法,完全可以提高系统通信实时性。 3.1.3无线通信系统方案设计 无线遥控通信系统设计的任务是按用户所需的信息传输速率和 精确程度提出一个经济合理的系统,将信息由发送端传送给接收端。 一般来讲,通信系统设计中的关键参数是传输带宽、信号功率以及 所选方案实现的复杂度。传输带宽通常被所使用的具体传输媒介所 限定,按无线电管理委员会对频谱使用的管理,我们选用的无线信 道的频率资源带宽一般是在几KHz至几千KHz之间。而对信号功率 与实现复杂度来说,虽然有一定的功率限制,但设计者通常有较大 的余度控制;这两个因素对于设计者来说,需要做出权衡与折衷。 在遥控通信系统中,信息传输所需要的精确程度都可以用提高信号 发射功率来克服产生差错的信道干扰来实现,另一个方法是采用差 错控制编码来增加系统的冗余度;但这也增加了系统译码的复杂性。 岁y京交}1?4硕士学位论文 但在此试风系统设计过程中,当带宽被严格限定或费用昂贵,并且 消息传输时间也有限定时,这就需要考虑采用编码来增加信息的精 确程度和增加信号功率综合起来的解决方法。 无线收发设备是系统的关键设备,合理选择无线收发设备,对 于提高系统的整体操纵性能及可靠性和经济性具有极其重要的意 义。根据实验室研究及大量的市场调研,采用Modem加无线电台的 方式的方案功能过于简单,可靠性较差;采用无线扩频调制解调器 成本过高,市场产品比较单一,供选择余地不大。通过对调幅、调 频和调相等几种无线调制解调技术在短波频段应用的性能以及设备 复杂性和制造成本等因素比较,在相对低速的无线数据传输信道上, FSK和PSK具有同样良好的非线性能力,并且采用FSK的性能价格 比远比其他调制方式要高。因此采用了FC201无线数据传输模块进 行系统的通信设备。 利用可靠的无线数据传输模块作为无线收发设备,作者提出了 如图3-2的遥控通信方案。 图3-2无线无线通信协议的设计 根据OS1参考模型及现场总线通信模型,并使无线通信与CAT 总线通信能够得到平稳高速的过渡。以CAN总线出发点,考虑到无 线通信的特点和实验的可行性,设计了包括物理层、数据链路层和 Via,l交迈f硕士学位论文 应用层的无线物理层的设计 物理层的功能用于实现现场设备与网络之间的连接,为现场设 备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口,为现场设备对总线 的发送或接收提供合乎规范的物理信号。物理层作为电气接口,一 方面接受来自数据链路层信息,把它转换为物理信号,并传送到现 场的传输媒体上,起到发送驱动器的作用:另一方面把来自现场的 传输物理信号转换为信息送到数据链路层,起到接收器的作用。 在本协议中,根据所采用的无线数据传输设备性能及特点,信 号的处理采用频移键控FSK的方式,数据通过FC-201微功率数据 传输电台进行传送。其频率为428.0028MHz,采用FSK曼彻斯特编 码的调制方式,使用标准RS-232接口方式;天线V电压下,接收状态电流为20mA,发射状态电流为 60n1A;体积为48mmx33mmx11.5mm,重量50克。 3.2.2数据链路的设计 网络中无线节点的无线发射的频率都是一样的,当有一个或多 个无线节点同时发射时,就会发生冲突,所以无线网络与CAT总线 一样存在着介质访问控制问题。 所有的无线节点和有线节点之间的通讯均要通过混合网关,这 样无线网关上的通讯量比一般的无线节点要大得多,在协议的制定 中应给无线网关分配较高的优先级和带宽。把无线网关设为无线网 络的主站,享有最高的优先级,同时在整个无线通讯中起调度、同 步的作用。而其它的无线节点均作为从站,从站在主站指定分配的 时间段内,按优先级大小以自适应二叉树的方法进行竞争,取得信 道发送的控制权发送数据。这是一种主从控制和自适应二叉树竞争 的混合协议,在该特定系统中(某一节点的流量要远大于其它节点) 这种混合协议有较高的效率。 pi丈q,f硕士学位论文 3.2.2,无线通讯协议帧格式的定义 CAN协议定义了四种帧类型:数据帧(DataFrame)、远程帧 (RemoteFrame)、错误帧(ErrorFrame)、过载帧(OverloadFrame),在 实际应用中远程帧和过载帧很少用到,甚至一些CAN协议控制器都 不支持这两种帧。出于简化考虑,在这个混合网路的无线通讯协议 中只定义无线数据帧和无线错误帧,并根据需要选用应答帧。通过 上层软件和硬件设计保证过载现象(过载帧)不会发生,远程请求数据 (远程帧)功能也由上层协议来完成,这样即简化了设计并且不影响功 能。 无线数据帧格式在CAN的数据帧格式的基础上,根据无线传输 的特性改动而成,力争做到与CAN协议的兼容。 定义无线网络主站(即混合网关)数据帧格式为:帧头起始字段、 主从标志位、仲裁字段、远程数据请求标志位、控制字段、数据字 段、校验码、帧尾标志位,如图3-3所示。从站(各无线遥控节点) 的数据帧比主站少了主从标志位,其余字段完全一样。 门 帧起始 下仲裁字段 控制字段 有效数据段 校验段 帧结束 土从标记位 图3-3数据帧格式示意图 帧起始字段由8位特殊控字符构成,同于判断帧格式的开始。 主从标志位是1位标志,1代表主站有数据要发送,0表示主站 处于监听状态,从站可以发送数据。 仲裁字段与CAN协议的定义一致,是11位的ID. 远程数据请求标志位是 1位标志,因为不再考虑远程帧,所以 这个标志位目前没起作用,永远置 0,保留该标志位的目的为了和 CAN的数据帧的格式兼容。 控制字段与CAN协议的定义一致,一共6位,其中4位用于表 示数据的长度,2位作为保留位。 pi交迈}?硕士学位论文 数据字段传输实际数据。 校验码是8位的求和校验码。 帧尾标志位标志 一帧数据传输结束,是8位的结束位。 无线数据帧格式的定义与CAN 的数据帧的格式有一些小的差 别。首先,帧起始位、结束位都采用了特殊控制位,用于和数据区 分,使通讯控制更加容易。为了区分主站和从站,添加了主/从标志 位。考虑到CPU运算速率问题,为了加快数据传输速度,将 CRC 校验码改成为求和校验,不仅保证了实时性的要求,且减速轻了CPU 的运算负担和开发的强度。但这是以少量降低通信准确性为前提的, 不过实验表

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