一種飛行測(cè)試遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

范蟠果，胡逸雪

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710129）

0 引言

飛機(jī)在試飛過(guò)程中，需要采集物理數(shù)據(jù)并監(jiān)控測(cè)試設(shè)備。同時(shí)由于試飛存在一定風(fēng)險(xiǎn)性，測(cè)試系統(tǒng)要減少操作人員，提高自動(dòng)化水平［1］。如測(cè)試飛機(jī)的操縱性和穩(wěn)定性的重心調(diào)控系統(tǒng)；為測(cè)試機(jī)載雷達(dá)裝機(jī)性能的雷達(dá)液冷系統(tǒng)。這些測(cè)試系統(tǒng)要控制泵的通斷，閥門開(kāi)啟角度；同時(shí)要采集流量、壓力、溫度信號(hào)以及測(cè)試系統(tǒng)的電流值等作為遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)源。而傳統(tǒng)的通信方式速度慢，硬件連接模式單一，不利于分布式監(jiān)控的需要。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用基于TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳輸模式，以PAC作為下位機(jī)和客戶端，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議的通信，實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控。

1 PAC與以太網(wǎng)交換機(jī)

PAC（可編程自動(dòng)化控制器）同時(shí)具有PC處理器、內(nèi)存和軟件的優(yōu)勢(shì)和PLC堅(jiān)固性和分布特性。系統(tǒng)選用泓格公司的WP-8837 PAC控制器，該型使用 WindowsCE 5．0操作系統(tǒng)，ISaGRAF作為開(kāi)發(fā)軟件，可以與HMI整合，支持TCP／IP協(xié)議，具備I／O模塊熱插拔能力與8個(gè)擴(kuò)展插槽。

以太網(wǎng)交換機(jī)的結(jié)構(gòu)是每個(gè)端口都直接與主機(jī)相連，并且一般都工作在全雙工方式。交換機(jī)能同時(shí)連通許多對(duì)端口，使每一對(duì)相互通信的主機(jī)都能像獨(dú)占通信媒體那樣，進(jìn)行無(wú)沖突地傳輸數(shù)據(jù)。選用MOXA公司的EDS308，有8個(gè)端口數(shù)量，支持IEEE 802．3，802．3u和802．3x的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)概述

分布式數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)由工控設(shè)備PAC及其模塊、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控HMI、以太網(wǎng)交換機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

PAC的擴(kuò)展模塊作為系統(tǒng)控制信號(hào)輸出和測(cè)量信號(hào)輸入設(shè)備。其中，計(jì)數(shù)模塊I-8084W的采樣頻率為250 k Hz，用來(lái)接收管道流量計(jì)的計(jì)數(shù)脈沖。數(shù)字輸入／輸出模塊I-8042 W在輸入端采集罐組的液位開(kāi)關(guān)信號(hào)和泵工作開(kāi)關(guān)信號(hào)；輸出端控制繼電器通斷，再由繼電器控制交、直流泵的開(kāi)啟與關(guān)斷。同時(shí)在檢測(cè)到系統(tǒng)電流過(guò)大時(shí)關(guān)斷接觸器，保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)電路。模擬量輸入模塊I9017-H的輸入信號(hào)有3種：壓力傳感器輸出0～5 V電壓信號(hào)；溫度傳感器輸入4～20 m A電流信號(hào)；電流傳感器輸出0～5 V電壓信號(hào)。12位模擬量輸出模塊I-87024CW輸出4～20 m A的電流信號(hào)控制活門開(kāi)啟角度進(jìn)而控制管路流量。

PAC的主CPU模塊作為下位機(jī)，主要任務(wù)有：

a．收集還原I／O模塊的數(shù)據(jù)。如將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量、壓力、角度或電流等具體物理值，同時(shí)記錄獲得該數(shù)據(jù)的時(shí)間。

b．執(zhí)行具體的自動(dòng)調(diào)節(jié)規(guī)律，同時(shí)預(yù)留手動(dòng)控制功能，作為獲得權(quán)限后測(cè)試人員通過(guò)HMI進(jìn)行人工控制的途徑。

c．與上位機(jī)和HMI進(jìn)行通信。HMI通過(guò)485總線與PAC通信，HMI的界面由泓格自行開(kāi)發(fā)的HMI設(shè)計(jì)工具elogger編寫(xiě)。除了更好兼容PAC硬件外，elogger也支持工控開(kāi)發(fā)軟件ISaGRAF，有利于降低編程難度。執(zhí)行任務(wù)不同，HMI的界面也不同，執(zhí)行液冷控制任務(wù)的HMI界面如圖2所示。

圖2 液冷控制H MI界面

PAC經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)與作為遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)的工控機(jī)進(jìn)行TCP／IP通信。工控機(jī)主要匯總各PAC采集的物理數(shù)據(jù)信息并記錄，在需要時(shí)調(diào)用并分析，如電流波動(dòng)。同時(shí)工控機(jī)也負(fù)責(zé)HMI界面操作權(quán)限的管理，以及PAC調(diào)節(jié)動(dòng)作的記錄，保證試飛結(jié)束后有測(cè)試設(shè)備的詳細(xì)資料查詢。

3 TCP／IP通信

工控機(jī)與PAC之間采用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行通信。TCP／IP是一種面向連接的可靠的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通信的雙方工作在服務(wù)器／客戶端（C／S）模型下［2］。TCP／IP協(xié)議是通過(guò)“三次握手”實(shí)現(xiàn)的，相較于另一種應(yīng)用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議UDP，TCP協(xié)議傳輸效率低但可靠性高，由于系統(tǒng)上位機(jī)不負(fù)責(zé)具體調(diào)節(jié)過(guò)程，故選用TCP／IP協(xié)議。

工控機(jī)作為服務(wù)器端，各PAC作為客戶端，服務(wù)器為每個(gè)客戶端開(kāi)放一個(gè)大于1 000整數(shù)作為端口號(hào)（小于1 000的端口可能被操作系統(tǒng)占用），客戶端尋找該端口與服務(wù)器完成連接。因?yàn)門CP／IP為全雙工通信協(xié)議，在PAC向工控機(jī)傳輸數(shù)據(jù)同時(shí)，工控機(jī)也可以向PAC發(fā)送指令。發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)按照表1格式進(jìn)行封裝。

表1 數(shù)據(jù)封裝格式

收發(fā)信息時(shí)，發(fā)送與接收方都首先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以保證通信數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)據(jù)類型使接收方識(shí)別數(shù)據(jù)的屬性［3］。在系統(tǒng)PAC發(fā)送的數(shù)據(jù)包中，1A00H代表1號(hào)管路累計(jì)流量，0031H代表3號(hào)泵當(dāng)前狀態(tài)等。工控機(jī)的數(shù)據(jù)類型包括管理該P(yáng)AC手動(dòng)操作泵與閥門的權(quán)限，以及規(guī)定PAC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型等。

數(shù)據(jù)內(nèi)容的長(zhǎng)度因數(shù)據(jù)類型而異。類型是泵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或權(quán)限時(shí)為1B，是記錄時(shí)間時(shí)為2B等。

和校驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí)可以要求發(fā)送方重發(fā)數(shù)據(jù)。

通信雙方數(shù)據(jù)封裝及解封過(guò)程如圖3所示。

圖3 通信流程

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序以Lab Windows／CVI作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該軟件是NI公司推出的面向測(cè)控領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)軟件，具有集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，交互式編程方法，豐富的控件和庫(kù)函數(shù)［4］。

傳統(tǒng)的Socket庫(kù)開(kāi)發(fā)TCP網(wǎng)絡(luò)程序需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Socket并聲明使用TCP協(xié)議，初始化地址、端口并綁定Socket，收發(fā)數(shù)據(jù)，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。CVI將其封裝為幾個(gè)函數(shù)，通過(guò)調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)該過(guò)程［5］。TCP的數(shù)據(jù)接收與工控機(jī)處理流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸與處理流程

首先使用Get TCPHost Addr函數(shù)獲知服務(wù)器IP，調(diào) 用 Register TCPServer（port Num，-Server TCPCB，0）函數(shù)注冊(cè)為服務(wù)器端。port Num表示占用的端口；Server TCPCB為端口port Num對(duì)應(yīng)的服務(wù)器函數(shù)名，它包含了客戶端連接、斷開(kāi)和發(fā)送數(shù)據(jù)后的相應(yīng)處理。Server TCPCB函數(shù)片段如下：

int CVICALLBACK Server TCPCB（unsigned handle，int event，int error，void＊callbackdata）

｛

……

switch（event）

｛

case TCP_CONNECT：

｛

hconversation＝handle；／＊獲取句柄＊／

Get TCPPeer Addr （hconversation，addr Buf，31）；／＊獲取對(duì)方IP＊／

Status1＝1；

Set TCPDisconnect Mode（hconversation，TCP_DISCONNECT_AUTO）；／＊自動(dòng)斷開(kāi)連接＊／

……

break；

case TCP_DATAREADY：／＊讀取數(shù)據(jù)＊／

do

｛

dataSize＝ Server TCPRead（hconversation，＆receiveBuf［mSize］，dataSize，1000）；

mSize＋＝dataSize；

byte ToRead＝buffer［0］；

｝

while（mSize＜byte ToRead）

……

break；

case TCP_DISCONNECT：

if（handle＝＝hconversation）；

hconversation＝0；

Status1＝0；

……

｝

break；

｝

return 0；

｝

TCP_CONNECT，TCP_DATAREADY 與TCP_DISCONNECT分別為為端口連接時(shí)、獲取數(shù)據(jù)和斷開(kāi)連接時(shí)的操作，變量hconversation為服務(wù)器連接句柄，Server TCPRead為服務(wù)器讀取客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)。由于以太網(wǎng)讀寫(xiě)并非一次完成，故每次讀數(shù)據(jù)都將本次數(shù)據(jù)長(zhǎng)度dataSize累加到mSize并與byteToRead作比較，直到數(shù)據(jù)接收完全。

需要注意的是當(dāng)客戶端連接成功時(shí)給參數(shù)Status1賦值1，此處上位機(jī)執(zhí)行處理客戶端1（即1號(hào)PAC）發(fā)送信息的線程程序，而當(dāng)客戶端斷開(kāi)連接Status1的值為0時(shí)，不執(zhí)行該線程。數(shù)據(jù)處理線程片段如下：

int CVICALLBACK Client1（void＊function-Data）；

int main（int argc，char＊argv［］）

｛

int Thread1；

……

CmtSchedule ThreadPool Function （DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE，Client1，NULL，＆Thread1）；／／創(chuàng)造線程函數(shù)

…

Cmt Wait For Thread Pool FunctionCompletion（DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE，Thread1，0）；／／等待線程執(zhí)行

Cmt Release ThreadPoolFunctionID （DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE，F(xiàn)unction-ID）；／／釋放線程

return 0；

｝

int CVICALLBACK Client1（void＊function-Data）／／線程函數(shù)

｛

while（Status1）｛

……

｝

return 0；

｝

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串口通信，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)子任務(wù)系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控的目的。利用PAC作為客戶端與下位機(jī)系統(tǒng)，在完成調(diào)節(jié)任務(wù)與現(xiàn)場(chǎng)操作的同時(shí)，兼顧TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)通信的穩(wěn)定性［6］。在上位機(jī)使用多個(gè)客戶端口數(shù)據(jù)同時(shí)接收處理的多線程功能，滿足了系統(tǒng)的高效性。系統(tǒng)在飛機(jī)試飛中得到應(yīng)用，目前運(yùn)行穩(wěn)定、良好。

［1］ 凌 晨，吳成富，吳佳楠．基于以太網(wǎng)的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（4）：851-853．

［2］ Richard Stevens W．TCP／IP詳解（卷1：協(xié)議）［M］．范建華，等譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［3］ 袁繼敏，李小玲，古天祥．網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2003，16（1）：41-44，56．

［4］ 范蟠果，陳 雪．基于Connect ME的油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．測(cè)控技術(shù)，2011，30（12）：41-48．

［5］ 史君成，張淑偉，律淑珍．LabWindows虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010．

［6］ 泓格公司．泓格PAC產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］．深圳，2011．