數(shù)控系統(tǒng)分布式測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

郝麗蕊， 李 燕

HAO Li-rui, LI Yan

(桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校 桂林 541004)

0 引言

隨著分布計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展為測(cè)控系統(tǒng)向分布式、網(wǎng)絡(luò)化和以微計(jì)算機(jī)作為平臺(tái)的方向發(fā)展提供了良好的條件。分布式測(cè)控系統(tǒng)（DMCS）是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把分布于各個(gè)測(cè)控點(diǎn)的測(cè)量設(shè)備、測(cè)量用的計(jì)算機(jī)以及各控制節(jié)點(diǎn)連接起來，達(dá)到測(cè)量資源共享、分散采集、集中分析管理等目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備監(jiān)視與控制。分布式測(cè)控技術(shù)用在數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控還在不斷嘗試中。數(shù)控機(jī)床的分布式測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要解決現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和分布式計(jì)算兩方面的技術(shù)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN總線和CORBA中間件的分布式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)/機(jī)床的各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)精度測(cè)控。

圖1 數(shù)控測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1 數(shù)控機(jī)床分布式測(cè)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本測(cè)控系統(tǒng)包含三個(gè)層次的子系統(tǒng) ：底層測(cè)控子系統(tǒng)、中間測(cè)控子系統(tǒng)和頂層客戶端子系統(tǒng)，如圖1所示。底層（下位測(cè)控系統(tǒng)）采用了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，中間層采用基于分布式對(duì)象模型(即CORBA)的中間件技術(shù)，頂層則為Web客戶端。

測(cè)控系統(tǒng)功能描述為：1）底層測(cè)控子系統(tǒng)采集數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)通過CAN總線把數(shù)據(jù)發(fā)送到中間服務(wù)器系統(tǒng)，同時(shí)接受上位測(cè)控子系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送過來的控制命令和參數(shù)給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀，通過數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。2）中間服務(wù)器系統(tǒng)主要承擔(dān)協(xié)議的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和本地服務(wù)器的一些功能。數(shù)據(jù)經(jīng)過進(jìn)一步的加工處理保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以備檢索和加工處理。3）頂層客服端子系統(tǒng)有用于監(jiān)控／管理的人機(jī)界面，操作人員可以通過監(jiān)控／管理計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面發(fā)出測(cè)試請(qǐng)求和顯示測(cè)試結(jié)果等。通過測(cè)控軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程測(cè)控等功能。

2 底層測(cè)控子系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，在此引入DSP技術(shù)。DSP是一種特別適用于進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理的微處理器，具有高速的數(shù)據(jù)處理能力。基于DSP的CAD測(cè)控儀的系統(tǒng)原理如圖2中, 光電隔離用6N137實(shí)現(xiàn)，集成電路計(jì)數(shù)器用LS7266R1實(shí)現(xiàn)，DSP型的CPU用T1公司的2000系列的TMS320LF2407(自帶有CAN控制器)，CAN驅(qū)動(dòng)器采用PCA820C250。

圖2 基于DSP的CAN測(cè)控儀的系統(tǒng)圖

2.1 底層測(cè)控子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

底層(現(xiàn)場(chǎng)層)的測(cè)控儀器的接口與數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)的編碼器相連，通過采集編碼器的A、A、B、B信號(hào)把數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)的脈沖信號(hào)送到CAN測(cè)控儀的輸入端；由集成度較高的LS7266RI進(jìn)行采樣、濾波、鑒相倍頻、計(jì)數(shù)等，可提高系統(tǒng)的抗干擾性，同時(shí)減小了系統(tǒng)的體積，提高了精度和速度，可以在更惡劣的環(huán)境下進(jìn)行可靠的工作。通過對(duì)光電編碼器的計(jì)數(shù)，計(jì)算出X軸、Y軸的位移。TMS320LF2407微處理器對(duì)采來的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后放到CAN控制器的緩存器里面，最后通過CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250將信息發(fā)布到CAN總線上。高性能CAN總線收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，用來增大通信距離，增強(qiáng)系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，提高對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。數(shù)據(jù)通過CAN總線到達(dá)CAN總管節(jié)點(diǎn)，CAN總管節(jié)點(diǎn)充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用。相反上面?zhèn)鱽淼恼?qǐng)求命令依照同樣的道理可以通過CAN網(wǎng)關(guān)下傳到底層的CAN節(jié)點(diǎn)，再通過輸出信號(hào)通道把命令傳給相應(yīng)的接口電路、伺服系統(tǒng)，以便對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行控制。高速光電耦合器6N137可增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。TMS320LF2407自帶有4K RAM,32KFLASH 程序存儲(chǔ)器，芯片自身的存儲(chǔ)器己經(jīng)滿足了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，因此硬件設(shè)計(jì)時(shí)不再擴(kuò)展數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器。選用TPS730l電源管理芯片給TMS320LF2407 DSP供電；DSP工作電壓是3.3V，LS7266R1工作電壓是5V，因此采用SN74LvC4245A芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

2.2 基于DSP的CAN測(cè)控儀的軟件設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A自帶的CAN控制器完全支持CAN2.0B協(xié)議，可工作在標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，數(shù)據(jù)收發(fā)采用郵箱方式，郵箱0-1是接受郵箱，郵箱4-5是發(fā)送郵箱，郵箱2-3是隨意配置郵箱，根據(jù)實(shí)際需要確定為接受郵箱或發(fā)送郵箱，郵箱由寄存器控制。

CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括四大部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)處理。初始化模塊將所用的寄存器清零,并將程序FLASH區(qū)和數(shù)據(jù)RAM區(qū)初始化,中斷口等設(shè)置為主程序準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài);看門狗監(jiān)視DSP芯片的各資源的硬件運(yùn)行情況，DSP芯片運(yùn)行處于正常狀態(tài)后,定時(shí)器軟中斷啟動(dòng)LS7266R1采集一幀數(shù)據(jù)。TMS320LF2407中的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收主要是通過CAN控制器來完成, CAN控制器經(jīng)過初始化設(shè)置后即可進(jìn)入正常的工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。控制系統(tǒng)的CAN數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式、CPU一旦執(zhí)行完中斷處理程序，就檢測(cè)是否有CAN數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送。發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。發(fā)送時(shí)CAN控制器將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照特定格式組合成一幀報(bào)文，送入發(fā)送郵箱。為保證不丟失接收的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)接收CAN數(shù)據(jù)采用中斷方式。接收子程序接收到網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，CAN控制器向DSP產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，DSP進(jìn)入接收中斷子程序后查詢接收控制寄存器RCR。確定接收到的數(shù)據(jù)所存放的郵箱號(hào)，然后讀取該郵箱的數(shù)據(jù)。圖3為系統(tǒng)主程序的流程圖。

3 中間測(cè)控子系統(tǒng)和頂層客服端子系統(tǒng)（上位測(cè)控子系統(tǒng)）

由于測(cè)控系統(tǒng)包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三層協(xié)議，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，CORBA技術(shù)能夠屏蔽底層復(fù)雜的不同的操作平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信的細(xì)節(jié)問題，使網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更為簡單方便，因此上位測(cè)控系統(tǒng)引入CORBA技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用CORBA Server（相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)），解決CAN總線與上位機(jī)以太網(wǎng)直接通訊問題，完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及服務(wù)器的一些功能。CORBA Client(被嵌入進(jìn)Web Server)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)遠(yuǎn)程Web客戶提供信息服務(wù)，CORBA Server與CORBA Client通過以太網(wǎng)連接。ORB采用Borland公司的Visibroker,編程實(shí)現(xiàn)工具為C++ Bilder6.0。

分布式遠(yuǎn)程控制功能是通過WEB瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，通過動(dòng)態(tài)機(jī)制CGI與Web服務(wù)器連接，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。HTTP協(xié)議是Web服務(wù)器和瀏覽器的通信協(xié)議，HTTP規(guī)定了發(fā)送和請(qǐng)求的標(biāo)準(zhǔn)方式．規(guī)定了瀏覽器和服務(wù)器之間傳輸?shù)南⒏袷郊案鞣N控制信息，允許不同種類的客戶端相互通信而不出現(xiàn)兼容問題。

根據(jù)實(shí)際要求，上位機(jī)應(yīng)用程序功能模塊主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理等，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 軟件流程圖

圖4 應(yīng)用程序功能模塊

4 測(cè)試及分析

圖5是用測(cè)控系統(tǒng)對(duì)MTC．2M系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控圓測(cè)試的結(jié)果。其中的測(cè)試進(jìn)行了直徑1 ～400之間密集測(cè)試，對(duì)于每一種直徑的數(shù)控圓又進(jìn)行了從低速(1 mnv～mln)到高速(5 000 mn～min)的較密集測(cè)試。 圖4顯示了數(shù)控圓的形狀誤差，圖中每相鄰圓的半徑相差1，從圖中看出誤差變化的幅值及所處的位置，通常在4個(gè)象限交界處誤差較大。圖中也顯示了理論圓的位置，表明了在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)際數(shù)控圓偏離理論圓的情況。圖5顯示了在所有測(cè)試點(diǎn)的總數(shù)中不同誤差值所占的百分比，從圖中可看出誤差值在±2腳之內(nèi)的占90%左右，這樣的結(jié)果是符合實(shí)際情況的。

圖5 數(shù)控圓的形狀誤差圖

圖6 數(shù)控圓的誤差分布曲線圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN總線和CORBA中間件的分布式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程訪問等功能。CAN 總線的通信協(xié)議中支持的是基于報(bào)文的工作方式，加入或撤銷節(jié)點(diǎn)設(shè)備都不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的工作，十分適用于要求快速、可靠的控制系統(tǒng)。CORBA技術(shù)能夠屏蔽底層復(fù)雜的不同的操作平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)通信的細(xì)節(jié)問題, 使網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更為簡單方便，與平臺(tái)無關(guān)性特點(diǎn)使得系統(tǒng)易于升級(jí)易于擴(kuò)張易于更改。此系統(tǒng)可用于對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的分析研究，本設(shè)計(jì)方案可對(duì)遠(yuǎn)程分布式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

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