基于TTP可靠通信的電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

華國琳 趙懷林 祝波

摘 ?要： 針對(duì)一般單通道通信系統(tǒng)存在信道堵塞和通信失敗后仍繼續(xù)工作造成的系統(tǒng)可靠性低的問題，設(shè)計(jì)一種基于TTP通信的三節(jié)點(diǎn)控制通信模型，采用雙通道冗余傳輸，主要目的是防止數(shù)據(jù)堆積沖突、因通道損壞導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題。將LabVIEW作為系統(tǒng)的上位機(jī)開發(fā)平臺(tái)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和控制。STM32作為系統(tǒng)的控制器，各節(jié)點(diǎn)之間的信息交換通過基于時(shí)間觸發(fā)的通信系統(tǒng)完成，排除了事件觸發(fā)的資源共享沖突問題，為系統(tǒng)提供了良好的安全性保證機(jī)制，使系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性得到保障。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng); TTP通信; 雙通道冗余傳輸; 信息交換; 通信系統(tǒng); 時(shí)間觸發(fā)

中圖分類號(hào)： TN918?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）10?0040?04

Motor monitoring system based on TTP reliable communication

HUA Guolin1， ZHAO Huailin1， ZHU Bo2

（1. School of Electronics and Electrical Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418， China;

2. Department of Computer Science and Technology， Tsinghua University， Beijing 100018， China）

Abstract： Since the general signal?channel communication system has the problems of channel blockage and low system reliability caused by continued operation after communication failure， a three?node control and communication model based on TTP communication is designed. The main purpose of adopting the dual?channel redundant transmission is to prevent data stack collisions and the data loss caused by channel damage. The motor can be monitored and controlled by using the LabVIEW as the upper computer development platform of the system. The STM32 is taken as the controller of the system. The information exchange between nodes is completed by the time?triggered communication system， which can eliminate the event?triggered resource sharing conflicts， provide a good security guarantee mechanism for the system， and ensure the reliability and real?time performance of the system.

Keywords： motor monitoring system; TTP communication; dual?channel redundant transmission; information exchange; communication system; time trigger

目前，針對(duì)電機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)研究有很多[1?3]，但是對(duì)于實(shí)時(shí)性監(jiān)控系統(tǒng)來說，需要其具有較高的可靠性。文獻(xiàn)[1?2]使用CAN總線，但在節(jié)點(diǎn)受到干擾時(shí)可能產(chǎn)生Babbling Idiot錯(cuò)誤，造成信道出錯(cuò)堵塞，且成本較高。文獻(xiàn)[3]使用RS 232總線，其抗干擾能力差，傳輸距離近，并且在傳統(tǒng)單通道系統(tǒng)中，通道損壞就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。TTP采用雙通道冗余發(fā)送結(jié)構(gòu)，基于時(shí)間觸發(fā)的思想，采用時(shí)分多址復(fù)用技術(shù)（Time?Division Multiple Access，TDMA），數(shù)據(jù)通過兩條相同的通道進(jìn)行傳輸[4]，避免了傳輸過程中單通道故障問題。它將一個(gè)集群周期分成n個(gè)可不等長的時(shí)隙，總線上各節(jié)點(diǎn)占用每個(gè)周期規(guī)定的時(shí)隙用于發(fā)送、接收信息，最后形成一個(gè)統(tǒng)一的消息時(shí)刻表，在同一時(shí)間段內(nèi)只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。在這種觸發(fā)模式下，數(shù)據(jù)以全局統(tǒng)一的時(shí)刻表進(jìn)行傳輸，各節(jié)點(diǎn)之間的通信不會(huì)有所沖突[5]。這樣既減小了對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的需求，同時(shí)總線的利用率也有極大的提高。

1 ?監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文的方案設(shè)計(jì)基于TTP協(xié)議和RS 485物理總線，由上位機(jī)軟件、控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)構(gòu)成。以一片STM32控制器作為TTP架構(gòu)的主節(jié)點(diǎn)，與兩片STM32從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行TTP通信的方案，并通過RS 422總線將PC機(jī)與主節(jié)點(diǎn)相連以達(dá)到監(jiān)控目的。

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖包括上位機(jī)系統(tǒng)和TTP系統(tǒng)兩部分，定義了合理的數(shù)據(jù)幀格式和和校驗(yàn)方式，建立了電機(jī)監(jiān)控模型，如圖1所示。上位機(jī)系統(tǒng)生成連續(xù)的控制指令，通過RS 422總線將指令發(fā)送到STM32主節(jié)點(diǎn)控制器完成指令的拆分和裝配，后經(jīng)主節(jié)點(diǎn)將信息廣播到TTP總線（兩路RS 485）上。從節(jié)點(diǎn)接收到總線上的數(shù)據(jù)后按照要求控制驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生控制電機(jī)的電壓，使電機(jī)運(yùn)行起來達(dá)到對(duì)電機(jī)控制的目的。同時(shí)將實(shí)際電機(jī)位置等反饋信息通過各自節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集整理成幀后發(fā)送到TTP總線上，經(jīng)主節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后，發(fā)送到電腦由上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 ?TTP時(shí)間觸發(fā)總線架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ?基本架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制

TTP架構(gòu)為一個(gè)包含3個(gè)節(jié)點(diǎn)的集群系統(tǒng)，這3個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)TTP集群，這里將其配置為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由主機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)接口（CNI）和TTP控制器構(gòu)成，多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過兩個(gè)相同的RS 485物理層通道（通道0、通道1）連接。主機(jī)負(fù)責(zé)信息的接收以及相應(yīng)的處理，通過CNI完成與TTP控制器之間的數(shù)據(jù)交換;TTP控制器包括TTP協(xié)議處理器、TTP信息描述表（MEDL）、負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與總線通信的時(shí)間同步和消息的收發(fā)，規(guī)定了消息的收發(fā)時(shí)間以及數(shù)據(jù)在CNI中所存放的位置。

節(jié)點(diǎn)的協(xié)議控制器用STM32來實(shí)現(xiàn)，通過兩路RS 485總線進(jìn)行時(shí)間觸發(fā)通信。STM32作為TTP協(xié)議的控制器，向上通過主機(jī)接口與主機(jī)之間進(jìn)行交互，包括控制指令、實(shí)際測量數(shù)據(jù)的傳輸以及MEDL表的配置部署[6];運(yùn)行時(shí)通過STM32控制器完成對(duì)TTP協(xié)議框架的調(diào)度運(yùn)行，包括與TTP集群完成時(shí)鐘同步、本地時(shí)間的精準(zhǔn)定時(shí)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送接收等。TTP的基礎(chǔ)是時(shí)鐘同步，以此為思想實(shí)現(xiàn)了一種時(shí)分多址訪問（TDMA）方案。TTP定義了MEDL列表，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)間段，保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)TDMA周期內(nèi)無沖突地在各自時(shí)間槽內(nèi)完成任務(wù)[7]。

圖2 ?TTP基礎(chǔ)架構(gòu)

這里設(shè)置TDMA周期為10 ms，根據(jù)TTP要求，將一個(gè)TDMA周期劃分為3個(gè)時(shí)隙，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙長度可以不等長，各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間槽分配如圖3所示。在每一個(gè)TDMA周期內(nèi)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)互相協(xié)調(diào)完成數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送等任務(wù)。第1時(shí)隙從0 ms開始，節(jié)點(diǎn)1（主節(jié)點(diǎn)）上電復(fù)位初始化后接收上位機(jī)信號(hào)發(fā)送控制信息廣播到TTP通道上，從節(jié)點(diǎn)正常啟動(dòng)后根據(jù)MEDL表中預(yù)置的時(shí)序邏輯執(zhí)行任務(wù)，第2時(shí)隙和第3時(shí)隙由節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3應(yīng)答節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)信息，其余時(shí)間用于處理節(jié)點(diǎn)的其他非通信類任務(wù)。從節(jié)點(diǎn)接收到通道上廣播數(shù)據(jù)的同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，使從節(jié)點(diǎn)在各自的時(shí)間槽內(nèi)工作。接收模塊接收到數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)無誤后，解析有效數(shù)據(jù)段以供各節(jié)點(diǎn)完成任務(wù)。各節(jié)點(diǎn)完成接收、發(fā)送任務(wù)后均回到時(shí)序判斷狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)。

圖3 ?TTP通信時(shí)序

2.2 ?群啟動(dòng)過程

TTP的關(guān)鍵在于建立一個(gè)全局統(tǒng)一的時(shí)鐘。系統(tǒng)在上電或者重新啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)都試圖與群同步，以達(dá)到時(shí)間同步和狀態(tài)一致的目的[8]。在啟動(dòng)過程中，各節(jié)點(diǎn)控制器完成上電初始化后，主節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)周期性的連續(xù)發(fā)送控制指令;從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)等待接收主節(jié)點(diǎn)的控制幀，并通過接收到的數(shù)據(jù)幀調(diào)整本地時(shí)間信息，與群同步后進(jìn)入工作狀態(tài)開始發(fā)送信息。

2.3 ?數(shù)據(jù)幀格式

TTP協(xié)議中每一個(gè)數(shù)據(jù)幀最少攜帶1 B的用戶數(shù)據(jù)，最多可以攜帶240 B的用戶數(shù)據(jù)[9]。根據(jù)TTP協(xié)議以及實(shí)際應(yīng)用需求，制訂了如圖4所示數(shù)據(jù)幀格式。

圖4 ?數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀的總長度為64 B，由幀頭段、有效數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)位組成。幀頭用于指示一幀數(shù)據(jù)的開始，這里將幀頭設(shè)置為“EB90”。接收方通過對(duì)這個(gè)特殊字符的判斷從數(shù)據(jù)流中識(shí)別出一幀數(shù)據(jù)的起始，如果接收到數(shù)據(jù)幀的起始2 B不是“EB90”，則視為無效。之后通過數(shù)據(jù)幀的信息長度確定出數(shù)據(jù)幀的終止位置，建立和區(qū)分出幀的邊界;幀ID用于確定當(dāng)前數(shù)據(jù)幀在整個(gè)集群周期中的位置，在通信總線上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)惟一的ID號(hào)，用于進(jìn)行主從設(shè)備之間的確定以及對(duì)數(shù)據(jù)幀的識(shí)別。有效數(shù)據(jù)段長度可變，用于傳輸實(shí)際的應(yīng)用數(shù)據(jù)。和校驗(yàn)用于校驗(yàn)幀頭和有效數(shù)據(jù)段的正確性，長度設(shè)置為1 B。校驗(yàn)和是指傳輸位數(shù)的累加，傳輸完畢后，接收者通過校驗(yàn)和來判斷是否完整地接收到了所有數(shù)據(jù)。如果幀頭和有效數(shù)據(jù)段的累加數(shù)值與和校驗(yàn)位的數(shù)值相匹配，那么說明已經(jīng)成功準(zhǔn)確地完成了數(shù)據(jù)幀的接收。

2.4 ?雙冗余度判斷

TTP控制器采用雙冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)控制器中都包含有兩個(gè)相互獨(dú)立的收發(fā)模塊，這使得系統(tǒng)具有很高的可靠性，即使一路通道損壞，也可以切換到另一通道繼續(xù)完成通信任務(wù)。主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到從節(jié)點(diǎn)兩個(gè)總線收發(fā)器中，從節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后按照如表1所示的算法對(duì)雙通道進(jìn)行選擇。其中通道0（通道1）接收到數(shù)據(jù)并且經(jīng)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)無錯(cuò)誤后，將其標(biāo)志位Flag_0（Flag_1）置1，管理模塊優(yōu)先選擇通道0作為有效通道。當(dāng)系統(tǒng)中任一通道接收到有效數(shù)據(jù)并經(jīng)和校驗(yàn)無錯(cuò)誤后，冗余管理模塊判定數(shù)據(jù)接收成功，使用此通道作為后續(xù)發(fā)送通道，并將標(biāo)志位信號(hào)清零。

表1 ?冗余接收管理

2.5 ?測試與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)框圖以及數(shù)據(jù)幀協(xié)議的定義，設(shè)計(jì)的TTP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包含有3個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中：1號(hào)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送;2，3號(hào)節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)采集整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。每個(gè)TDMA周期開始時(shí)由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步幀，之后2，3號(hào)節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送數(shù)據(jù)幀。以10 ms為周期，1，2號(hào)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間槽為3 ms，3號(hào)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間槽為4 ms，波特率設(shè)置為921 600 b/s。

圖5為用示波器測得的三個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送端波形，各節(jié)點(diǎn)相鄰兩幀數(shù)據(jù)間隔的時(shí)長為10 ms，即TDMA周期為10 ms，與設(shè)計(jì)周期一致。3個(gè)節(jié)點(diǎn)均處于工作狀態(tài)，在每個(gè)TDMA周期內(nèi)均發(fā)送一次數(shù)據(jù)，并在各自的時(shí)間槽內(nèi)按順序發(fā)送信息避免了多個(gè)數(shù)據(jù)重疊而產(chǎn)生的沖突，無傳輸失敗數(shù)據(jù)。

圖5 ?測試波形

設(shè)置示波器解碼為總線格式，將示波器的1通道設(shè)置為輸入，調(diào)整合理閾值以及對(duì)通信的波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位等參數(shù)進(jìn)行通信配置后，節(jié)點(diǎn)1（主節(jié)點(diǎn)）發(fā)送空指令的傳輸數(shù)據(jù)的示波器截圖如圖6所示。以“EB90”作為幀頭， “01”為幀的ID碼，“8B”為當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的幀計(jì)數(shù)， 符合TTP通信協(xié)議的要求。

圖6 ?節(jié)點(diǎn)1總線解碼值

3 ?LabVIEW顯示

LabVIEW利用PC機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來完成信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理操作，并由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能[10]。LabVIEW軟件使用VISA配置串口節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)通信的串口號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位、流控制等參數(shù)的配置，達(dá)到與主節(jié)點(diǎn)STM32板串口通信的目的。這里選擇對(duì)應(yīng)的串口，設(shè)置波特率為460 800 b/s，數(shù)據(jù)位為8，無奇偶校驗(yàn)，停止位為1，以此完成物理層的配置，通過RS 422總線完成PC接口與TTP主節(jié)點(diǎn)的連接。

通過軟件編寫，使上位機(jī)具有對(duì)來自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、處理顯示的功能，各功能在總線上并行運(yùn)行互不沖突。通過“2路時(shí)序指令”子vi對(duì)控制信號(hào)的類型、幅值、頻率等參數(shù)進(jìn)行配置，生成連續(xù)的控制指令，使電機(jī)按照操作人員的要求運(yùn)轉(zhuǎn)。

端口配置好之后，對(duì)來自節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取解析。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，通過對(duì)幀頭“EB90”的尋找確定出一幀數(shù)據(jù)的幀頭，幀頭后的14 B分別為數(shù)據(jù)的功能碼、數(shù)據(jù)位、和校驗(yàn)位。通過計(jì)算校驗(yàn)和來驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確性，確認(rèn)數(shù)據(jù)幀無誤后，將數(shù)據(jù)幀存入隊(duì)列，以供顯示循環(huán)讀取，再對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析從而得到各種有效信息，并在上位機(jī)界面上顯示出來。與TTP架構(gòu)的同步周期一致，上位機(jī)每10 ms接收、發(fā)送一次數(shù)據(jù)。圖7為上位機(jī)接收到的來自TTP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)波形為由多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的正弦波。相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔為10 ms，數(shù)據(jù)連續(xù)且沒有數(shù)據(jù)幀丟失。

圖7 ?上位機(jī)顯示圖

4 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TTP系統(tǒng)的電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，STM32控制芯片基于時(shí)間觸發(fā)完成系統(tǒng)工作。由于其雙通道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中即使一路通道損壞也能夠無縫切換到另一路通道以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的成功傳輸，能夠有效地實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間的控制和通信功能。本文還設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件以達(dá)到對(duì)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，可以對(duì)TTP系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)。所提系統(tǒng)工作可靠高效，能夠快速監(jiān)測到電機(jī)運(yùn)行情況，以防事故的發(fā)生。

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