基于Vx Wor ks的主機(jī)安保系統(tǒng)設(shè)計

張秦峰， 王秀麗

中海船研科技股份有限公司軍船產(chǎn)品部，上海200135

0 引 言

隨著綜合平臺管理系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化硬件在新型艦船上的應(yīng)用，傳統(tǒng)的僅基于現(xiàn)場總線（Contr oller Area Net wor k，CAN）的主機(jī)安保系統(tǒng)已不滿足平臺系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的要求。因此，需要開發(fā)一種新型的主機(jī)安保系統(tǒng)適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的綜合平臺管理系統(tǒng)。從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、試驗驗證等方面，介紹基于Vx Wor ks的主機(jī)安保系統(tǒng)。該新型安保系統(tǒng)利用Vx Wor ks操作系統(tǒng)的可靠性、實時性和優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)處理能力，實現(xiàn)主機(jī)的狀態(tài)信號采集、安全保護(hù)以及與綜合平臺管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的聯(lián)通。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的核心為安全保護(hù)控制模塊，并配置基于CAN總線的輸入／輸出（Input／Output，I／O）模塊、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、開關(guān)量傳感器、繼電器、電磁閥等I／O設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接綜合平臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和顯示（見圖1）。

圖1 主機(jī)安保系統(tǒng)組成圖

1.2 硬件設(shè)計

主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是，通過采集主機(jī)傳感器發(fā)送的轉(zhuǎn)速信號、壓力信號、開關(guān)量信號、I／O擴(kuò)展模塊以及CAN總線發(fā)送的主機(jī)參數(shù)，綜合處理主機(jī)的起動聯(lián)鎖、故障降速、故障停車。并將處理結(jié)果通過繼電器、電磁閥等輸出至主機(jī)或遙控系統(tǒng)，對主機(jī)進(jìn)行安全保護(hù)。作為綜合平臺管理系統(tǒng)的一個單元，通過以太網(wǎng)將所有主機(jī)安保系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺網(wǎng)絡(luò)，在上位機(jī)界面顯示，并具備故障診斷、時統(tǒng)等功能。

為了實現(xiàn)安全保護(hù)系統(tǒng)功能，在設(shè)計硬件時，核心硬件選用了現(xiàn)場控制模塊。該模塊屬于綜合平臺管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化硬件，具有信號處理、控制輸出、網(wǎng)絡(luò)通訊和故障報警等功能（見表1）。

表1 現(xiàn)場控制模塊功能、性能

現(xiàn)場控制模塊采用雙層板卡結(jié)構(gòu)（見圖2），核心板采用低功耗嵌入式Pentiu m II CPU（主頻200 M），內(nèi)存容量128 M，支持板載存儲（容量2 G），支持板級故障報警，支持看門狗自復(fù)位功能，核心板提供2個板對板高密度總線連接器，用于將信號連接到底板上；底板主要功能是數(shù)據(jù)采集、信號I／O和網(wǎng)絡(luò)通訊等。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件需求

1）功能需求見表2。

2）性能需求見表3。

2.2 軟件設(shè)計的考慮

2.2.1 操作系統(tǒng)的選擇

為保證應(yīng)用軟件多任務(wù)處理時的可靠性和實時性，現(xiàn)場控制模塊選用Vx Wor ks5.5嵌入式操作系統(tǒng)，使用Tor nado2.2開發(fā)應(yīng)用程序。Tor nado是Wind River公司為開發(fā)Vx Wor ks提供的集成開發(fā)環(huán)境，其基本目的和作用，是將與操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序運行無關(guān)的工作（如編輯、編譯、測試、配置等）與目標(biāo)機(jī)分離，使這些工作一方面不會與操作系統(tǒng)爭奪資源，另一方面作為一個集成開發(fā)環(huán)境方便系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試。Tornado不僅包括各種開發(fā)和調(diào)試工具，還包括目標(biāo)服務(wù)器部件，完成主機(jī)上的各種開發(fā)工具和目標(biāo)機(jī)連接的所有細(xì)節(jié)工作。

圖2 現(xiàn)場控制模塊硬件框圖

表3 安保系統(tǒng)性能需求表

2.2.2 Vx Wor ks環(huán)境下軟件設(shè)計特點

Vx Wor ks操作系統(tǒng)與硬件之間有板級支持包（Boar d Support Package，BSP）。BSP在引導(dǎo)系統(tǒng)、支持系統(tǒng)運行過程中扮演重要角色。首先，通過BSP可以生成引導(dǎo)系統(tǒng)的bootrom；其次，引導(dǎo)型工程的建立基礎(chǔ)是BSP；最后，BSP具有與用戶交互的作用，可以提供一個基礎(chǔ)的硬件調(diào)試環(huán)境。

現(xiàn)場控制模塊對應(yīng)Vx Wor ks5.5操作系統(tǒng)的BSP為pc m0311，在Tor nado2.2開發(fā)環(huán)境中調(diào)用該BSP包開發(fā)基于該模塊的應(yīng)用程序。

Vx Wor ks操作系統(tǒng)下開發(fā)應(yīng)用程序，驅(qū)動程序庫是提高開發(fā)效率的要素。與現(xiàn)場控制模塊相關(guān)的I／O Vx Works 5.5庫文件對應(yīng)的頭文件“pc m0311.h”（見圖3）。頭文件提供了驅(qū)動程序接口的原型聲明。在開發(fā)應(yīng)用程序時，工程中包含驅(qū)動程序庫后，可以直接調(diào)用“PIRead脈沖采集”、“DIRead讀入開關(guān)量”、“CANReceive”等接口函數(shù)，提高編碼效率。

圖3 交叉開發(fā)環(huán)境

2.3 軟件結(jié)構(gòu)

安保系統(tǒng)軟件采用多任務(wù)模塊化設(shè)計，每個任務(wù)為一個運行模塊。任務(wù)調(diào)度方式為基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度。每個任務(wù)有相應(yīng)的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的模塊先運行。開關(guān)量輸入任務(wù)、模擬量輸入任務(wù)、頻率量輸入任務(wù)、開關(guān)量輸出任務(wù)、基本工作處理任務(wù)、故障處理任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級設(shè)定，依次執(zhí)行，并循環(huán)調(diào)用。定時發(fā)送任務(wù)利用看門狗實現(xiàn)定時處理。

系統(tǒng)上電后，經(jīng)引導(dǎo)程序啟動操作系統(tǒng)（見圖4）。進(jìn)入應(yīng)用程序后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化和設(shè)備初始化，包括初始化設(shè)備、參數(shù)及建立多任務(wù)系統(tǒng)。初始化完畢后，開始多任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)對開關(guān)量、模擬量、頻率量的循環(huán)采樣，不斷刷新數(shù)據(jù)；經(jīng)工作狀態(tài)處理任務(wù)后，將起動聯(lián)鎖、故障降速、故障停車等工作狀態(tài)由開關(guān)量輸出并不斷更新；當(dāng)有故障發(fā)生時，記錄故障原因并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

圖4 程序總體框圖

2.4 程序設(shè)計

2.4.1 任務(wù)優(yōu)先級分配

Vx Wor ks是一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在利用Vx Wor ks開發(fā)主機(jī)安保系統(tǒng)軟件的過程中，任務(wù)優(yōu)先級的分配是關(guān)鍵技術(shù)也是難點（見表4）。在設(shè)計過程中要權(quán)衡各項功能的重要性和運行先后的合理性，在滿足系統(tǒng)設(shè)計的各項性能指標(biāo)下，高效合理地運行程序。

2.4.2 I／O處理模塊設(shè)計

該模塊主要調(diào)用驅(qū)動函數(shù)和濾波算法實現(xiàn)I／O接口需求和性能需求的各項指標(biāo)（見表5）。其中，實現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速處理問題是主機(jī)安保系統(tǒng)的難點，轉(zhuǎn)速處理不好，超速誤報警會直接導(dǎo)致主機(jī)異常停車。在現(xiàn)場測速環(huán)境中，有時會出現(xiàn)干擾信號，如果沒有濾波措施，會直接引入干擾，可靠性就無法保證；但過多的濾波會影響轉(zhuǎn)速的刷新速度，實時性又無法保證。為兼顧可靠性和實時性，主機(jī)安保系統(tǒng)設(shè)計中的轉(zhuǎn)速處理模塊采取限幅（超限處理，異常值剔除）→遞推濾波（5次）→中值濾波（去大去小求平均）的方法。在實際應(yīng)用過程中，該方法可行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，刷新正常。

表4 任務(wù)優(yōu)先級分配

表5 I／O模塊功能劃分

2.4.3 以太網(wǎng)通訊模塊設(shè)計

該模塊對以太網(wǎng)通訊進(jìn)行初始化處理，采用UDP通訊；把以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)整理后，根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)送報文，并根據(jù)協(xié)議接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)（見表6）。

表6 以太網(wǎng)通訊模塊功能劃分

NTP網(wǎng)絡(luò)校時算法說明：

T1為客戶端發(fā)送對時請求報文的時戳，T2為服務(wù)器收到對時請求報文的時戳，T3為服務(wù)器響應(yīng)對時請求報文的時戳，T4為客戶端收到對時響應(yīng)的時戳。

客戶端讀取實施時戳ttemp，將（ttemp＋toffset）更新系統(tǒng)時鐘。

客戶端讀取實施時戳ttemp，將（ttemp＋toffset）更新系統(tǒng)時鐘。

2.4.4 CAN通訊模塊設(shè)計

該模塊對CAN通訊進(jìn)行初始化處理；把CAN發(fā)送數(shù)據(jù)整理后，根據(jù)CAN通訊協(xié)議發(fā)送報文，并根據(jù)協(xié)議接收CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)（見表7）。

表7 CAN通訊模塊功能劃分

2.4.5 工作狀態(tài)處理模塊設(shè)計

根據(jù)I／O模塊、以太網(wǎng)模塊、CAN通訊模塊獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作狀態(tài)處理（見表8），判斷主機(jī)的起動聯(lián)鎖、故障降速、故障停車。

表8 工作狀態(tài)處理模塊功能劃分

3 試驗驗證

3.1 試驗情況

試驗驗證階段主要包括安保系統(tǒng)的功能測試和性能測試（見表9）。測試環(huán)境為某型船的主推進(jìn)裝置控制監(jiān)測系統(tǒng)。功能測試主要包括外部接口信號采集、輸出信號、邏輯處理、CAN通訊收發(fā)數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。輸入信號在實驗室環(huán)境中通過過程校驗儀和主推進(jìn)裝置模擬機(jī)模擬發(fā)出，在實船上采集現(xiàn)場傳感器發(fā)出的信號。所有時間特性數(shù)據(jù)通過CAN抓包軟件和以太網(wǎng)抓包軟件截取數(shù)據(jù)計算得出。

表9 安保系統(tǒng)功能和性能測試

4.2 實船使用情況

該安保系統(tǒng)作為主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)運用于某新型船。目前，該型號船已有10余艘交付使用。在使用過程中，憑借綜合平臺管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)點，用戶可以在不同位置監(jiān)測主機(jī)安保系統(tǒng)各項參數(shù)的運行情況。在航行過程中，穩(wěn)定、可靠的主機(jī)安保系統(tǒng)是航行安全的一項重要保障。

5 結(jié) 語

基于Vx Wor ks的主機(jī)安保系統(tǒng)設(shè)計，利用其優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)通訊處理能力，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的雙網(wǎng)數(shù)據(jù)交互，解決了傳統(tǒng)主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)與綜合平臺管理系統(tǒng)不匹配的問題。并憑借其良好的處理性能和實時性、可靠性，實現(xiàn)了對主機(jī)參數(shù)的高精度測量、主機(jī)的實時安全保護(hù)，提升了設(shè)備的生命力，可以長期可靠運行。

［1］ 羅國慶.Vx Wor ks與嵌入式軟件開發(fā)［M］.第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：15－17.

［2］ 張揚，于銀濤.Vx Work內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動與BSP開發(fā)詳解［M］.第2版.北京：人民郵電出版社，2011：288－291.