基于TTP可靠通信的電機監控系統

華國琳 趙懷林 祝波

摘 ?要： 針對一般單通道通信系統存在信道堵塞和通信失敗后仍繼續工作造成的系統可靠性低的問題，設計一種基于TTP通信的三節點控制通信模型，采用雙通道冗余傳輸，主要目的是防止數據堆積沖突、因通道損壞導致的數據丟失問題。將LabVIEW作為系統的上位機開發平臺，對電機進行監測和控制。STM32作為系統的控制器，各節點之間的信息交換通過基于時間觸發的通信系統完成，排除了事件觸發的資源共享沖突問題，為系統提供了良好的安全性保證機制，使系統的可靠性和實時性得到保障。

關鍵詞： 電機監控系統; TTP通信; 雙通道冗余傳輸; 信息交換; 通信系統; 時間觸發

中圖分類號： TN918?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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，針對電機的監控系統研究有很多[1?3]，但是對于實時性監控系統來說，需要其具有較高的可靠性。文獻[1?2]使用CAN總線，但在節點受到干擾時可能產生Babbling Idiot錯誤，造成信道出錯堵塞，且成本較高。文獻[3]使用RS 232總線，其抗干擾能力差，傳輸距離近，并且在傳統單通道系統中，通道損壞就會導致系統的崩潰。TTP采用雙通道冗余發送結構，基于時間觸發的思想，采用時分多址復用技術（Time?Division Multiple Access，TDMA），數據通過兩條相同的通道進行傳輸[4]，避免了傳輸過程中單通道故障問題。它將一個集群周期分成n個可不等長的時隙，總線上各節點占用每個周期規定的時隙用于發送、接收信息，最后形成一個統一的消息時刻表，在同一時間段內只允許一個節點發送消息。在這種觸發模式下，數據以全局統一的時刻表進行傳輸，各節點之間的通信不會有所沖突[5]。這樣既減小了對數據緩沖區的需求，同時總線的利用率也有極大的提高。

1 ?監控系統總體方案設計

本文的方案設計基于TTP協議和RS 485物理總線，由上位機軟件、控制器、驅動器、電機構成。以一片STM32控制器作為TTP架構的主節點，與兩片STM32從節點之間進行TTP通信的方案，并通過RS 422總線將PC機與主節點相連以達到監控目的。

整個系統結構框圖包括上位機系統和TTP系統兩部分，定義了合理的數據幀格式和和校驗方式，建立了電機監控模型，如圖1所示。上位機系統生成連續的控制指令，通過RS 422總線將指令發送到STM32主節點控制器完成指令的拆分和裝配，后經主節點將信息廣播到TTP總線（兩路RS 485）上。從節點接收到總線上的數據后按照要求控制驅動電路產生控制電機的電壓，使電機運行起來達到對電機控制的目的。同時將實際電機位置等反饋信息通過各自節點進行數據采集整理成幀后發送到TTP總線上，經主節點對數據進行整合后，發送到電腦由上位機軟件進行實時顯示。

圖1 ?系統結構框圖

2 ?TTP時間觸發總線架構的設計與實現

2.1 ?基本架構和運行機制

TTP架構為一個包含3個節點的集群系統，這3個節點構成了一個TTP集群，這里將其配置為總線型拓撲結構，如圖2所示。其中每個節點都由主機、通信網絡接口（CNI）和TTP控制器構成，多個節點之間通過兩個相同的RS 485物理層通道（通道0、通道1）連接。主機負責信息的接收以及相應的處理，通過CNI完成與TTP控制器之間的數據交換;TTP控制器包括TTP協議處理器、TTP信息描述表（MEDL）、負責節點與總線通信的時間同步和消息的收發，規定了消息的收發時間以及數據在CNI中所存放的位置。

節點的協議控制器用STM32來實現，通過兩路RS 485總線進行時間觸發通信。STM32作為TTP協議的控制器，向上通過主機接口與主機之間進行交互，包括控制指令、實際測量數據的傳輸以及MEDL表的配置部署[6];運行時通過STM32控制器完成對TTP協議框架的調度運行，包括與TTP集群完成時鐘同步、本地時間的精準定時以及數據的發送接收等。TTP的基礎是時鐘同步，以此為思想實現了一種時分多址訪問（TDMA）方案。TTP定義了MEDL列表，為每個節點分配了一個特定的時間段，保證各個節點在一個TDMA周期內無沖突地在各自時間槽內完成任務[7]。

圖2 ?TTP基礎架構

這里設置TDMA周期為10 ms，根據TTP要求，將一個TDMA周期劃分為3個時隙，每個節點的時隙長度可以不等長，各節點的時間槽分配如圖3所示。在每一個TDMA周期內，3個節點互相協調完成數據的接收、處理、發送等任務。第1時隙從0 ms開始，節點1（主節點）上電復位初始化后接收上位機信號發送控制信息廣播到TTP通道上，從節點正常啟動后根據MEDL表中預置的時序邏輯執行任務，第2時隙和第3時隙由節點2和節點3應答節點1的數據信息，其余時間用于處理節點的其他非通信類任務。從節點接收到通道上廣播數據的同時啟動定時器，使從節點在各自的時間槽內工作。接收模塊接收到數據經校驗無誤后，解析有效數據段以供各節點完成任務。各節點完成接收、發送任務后均回到時序判斷狀態，等待下一個數據。

圖3 ?TTP通信時序

2.2 ?群啟動過程

TTP的關鍵在于建立一個全局統一的時鐘。系統在上電或者重新啟動時，系統中所有的節點都試圖與群同步，以達到時間同步和狀態一致的目的[8]。在啟動過程中，各節點控制器完成上電初始化后，主節點進入工作狀態周期性的連續發送控制指令;從節點進入監聽狀態等待接收主節點的控制幀，并通過接收到的數據幀調整本地時間信息，與群同步后進入工作狀態開始發送信息。

2.3 ?數據幀格式

TTP協議中每一個數據幀最少攜帶1 B的用戶數據，最多可以攜帶240 B的用戶數據[9]。根據TTP協議以及實際應用需求，制訂了如圖4所示數據幀格式。

圖4 ?數據幀格式

數據幀的總長度為64 B，由幀頭段、有效數據段和校驗位組成。幀頭用于指示一幀數據的開始，這里將幀頭設置為“EB90”。接收方通過對這個特殊字符的判斷從數據流中識別出一幀數據的起始，如果接收到數據幀的起始2 B不是“EB90”，則視為無效。之后通過數據幀的信息長度確定出數據幀的終止位置，建立和區分出幀的邊界;幀ID用于確定當前數據幀在整個集群周期中的位置，在通信總線上每一個節點都有一個惟一的ID號，用于進行主從設備之間的確定以及對數據幀的識別。有效數據段長度可變，用于傳輸實際的應用數據。和校驗用于校驗幀頭和有效數據段的正確性，長度設置為1 B。校驗和是指傳輸位數的累加，傳輸完畢后，接收者通過校驗和來判斷是否完整地接收到了所有數據。如果幀頭和有效數據段的累加數值與和校驗位的數值相匹配，那么說明已經成功準確地完成了數據幀的接收。

2.4 ?雙冗余度判斷

TTP控制器采用雙冗余設計，每個控制器中都包含有兩個相互獨立的收發模塊，這使得系統具有很高的可靠性，即使一路通道損壞，也可以切換到另一通道繼續完成通信任務。主節點發出的數據同時發送到從節點兩個總線收發器中，從節點接收到數據后按照如表1所示的算法對雙通道進行選擇。其中通道0（通道1）接收到數據并且經數據和校驗無錯誤后，將其標志位Flag_0（Flag_1）置1，管理模塊優先選擇通道0作為有效通道。當系統中任一通道接收到有效數據并經和校驗無錯誤后，冗余管理模塊判定數據接收成功，使用此通道作為后續發送通道，并將標志位信號清零。

表1 ?冗余接收管理

2.5 ?測試與實驗

根據對系統框圖以及數據幀協議的定義，設計的TTP系統網絡包含有3個節點。其中：1號節點作為主節點，負責控制數據幀的發送;2，3號節點作為從節點，完成對采集整理后的數據進行發送。每個TDMA周期開始時由主節點發送同步幀，之后2，3號節點依次發送數據幀。以10 ms為周期，1，2號節點的時間槽為3 ms，3號節點的時間槽為4 ms，波特率設置為921 600 b/s。

圖5為用示波器測得的三個節點數據發送端波形，各節點相鄰兩幀數據間隔的時長為10 ms，即TDMA周期為10 ms，與設計周期一致。3個節點均處于工作狀態，在每個TDMA周期內均發送一次數據，并在各自的時間槽內按順序發送信息避免了多個數據重疊而產生的沖突，無傳輸失敗數據。

圖5 ?測試波形

設置示波器解碼為總線格式，將示波器的1通道設置為輸入，調整合理閾值以及對通信的波特率、奇偶校驗、數據位等參數進行通信配置后，節點1（主節點）發送空指令的傳輸數據的示波器截圖如圖6所示。以“EB90”作為幀頭， “01”為幀的ID碼，“8B”為當前數據幀的幀計數， 符合TTP通信協議的要求。

圖6 ?節點1總線解碼值

3 ?LabVIEW顯示

LabVIEW利用PC機強大的軟件功能來完成信號數據的運算、分析、處理操作，并由I/O接口設備完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能[10]。LabVIEW軟件使用VISA配置串口節點，通過對通信的串口號、波特率、奇偶校驗、數據位、停止位、流控制等參數的配置，達到與主節點STM32板串口通信的目的。這里選擇對應的串口，設置波特率為460 800 b/s，數據位為8，無奇偶校驗，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主節點的連接。

通過軟件編寫，使上位機具有對來自主節點的數據進行接收、存儲、處理顯示的功能，各功能在總線上并行運行互不沖突。通過“2路時序指令”子vi對控制信號的類型、幅值、頻率等參數進行配置，生成連續的控制指令，使電機按照操作人員的要求運轉。

端口配置好之后，對來自節點1的數據進行讀取解析。上位機接收到數據后，通過對幀頭“EB90”的尋找確定出一幀數據的幀頭，幀頭后的14 B分別為數據的功能碼、數據位、和校驗位。通過計算校驗和來驗證數據幀的準確性，確認數據幀無誤后，將數據幀存入隊列，以供顯示循環讀取，再對數據幀進行解析從而得到各種有效信息，并在上位機界面上顯示出來。與TTP架構的同步周期一致，上位機每10 ms接收、發送一次數據。圖7為上位機接收到的來自TTP系統的數據，數據波形為由多個連續的數據點組成的正弦波。相鄰兩個數據點的間隔為10 ms，數據連續且沒有數據幀丟失。

圖7 ?上位機顯示圖

4 ?結 ?論

本文設計并實現了基于TTP系統的電機監控系統，STM32控制芯片基于時間觸發完成系統工作。由于其雙通道設計的特點，在數據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現數據的成功傳輸，能夠有效地實現各個單元之間的控制和通信功能。本文還設計了對應的上位機軟件以達到對電機系統實時監控的目的，可以對TTP系統接收的數據進行數據處理、顯示、存儲。所提系統工作可靠高效，能夠快速監測到電機運行情況，以防事故的發生。

參考文獻

[1] 張慧，李智明.基于DSP和CAN總線的電機監控系統設計[J].南通紡織職業技術學院學報，2010，10（3）：12?15.

ZHANG Hui， LI Zhiming. The monitor system of motor based on DSP and CAN?bus [J]. Journal of Nantong Textile Vocational Technology College， 2010， 10（3）： 12?15.

[2] 徐少波，王洪輝，庹先國，等.無刷直流電機無線網絡監控系統[J].儀表技術與傳感器，2016（10）：54?57.

XU Shaobo， WANG Honghui， TUO Xianguo， et al. Design of wireless network monitoring system for brushless direct current motor [J]. Instrument technique and sensor， 2016（10）： 54?57.

[3] 蘇昌偉，肖瀟，謝紅駿，等.基于RS 232電機驅動控制器調試、監控輔助系統的開發[J].輕工科技，2013，29（5）：103?104.

SU Changwei， XIAO Xiao， XIE Hongjun， et al. Development of motor drive controller debugging and monitoring auxiliary system based on RS 232 [J]. Light industry science and technology， 2013， 29（5）： 103?104.

[4] RODRIGUES E M G， GODINA R， POURESMAEIL E， et al. Hybrid time triggered protocol for home wireless communications [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe. Milan： IEEE， 2017： 1?6.

[5] HANZALEK Z， TUNYS T. Mixed?criticality scheduling of messages in time?triggered protocols [C]// Proceedings of 10th IEEE Workshop on Factory communication systems. Toulouse： IEEE， 2014： 1?4.

[6] 毛亞鵬.基于DSP的時間觸發總線設計與實現[J].計算機測量與控制，2016，24（8）：209?211.

MAO Yapeng. Design and implementation of time?triggered protocol on DSP [J]. Computer measurement & control， 2016， 24（8）： 209?211.

[7] 陳思，葛紅娟，楊宗翰，等.基于TTP協議的飛機配電系統通信仿真研究[J].航空計算技術，2014，44（6）：95?99.

CHEN Si， GE Hongjuan， YANG Zonghan， et al. Research on simulation of communication in aircraft power distribution system based on TTP protocol [J]. Aeronautical computing technique， 2014， 44（6）： 95?99.

[8] 張興隆，蘇羅輝，楊敏.基于FPGA的時間觸發協議控制器實現[J].系統仿真學報，2010，22（z1）：114?118.

ZHANG Xinglong， SU Luohui， YANG Min. Implementation of a time?triggered protocol controller on FPGA [J]. Journal of system simulation， 2010， 22（S1）： 114?118.

[9] 張文豪.基于Zynq的TTP/C總線控制器設計與驗證[D].南京：南京航空航天大學，2016.

ZHANG Wenhao. Design and verification of TTP/C bus controller based on Zynq [D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2016.

[10] 于洋，于文波，徐立波，等.虛擬儀器的發展現狀及其應用[J].洛陽師范學院學報，2015，34（2）：48?51.

YU Yang， YU Wenbo， XU Libo， et al. Status quo and application of virtual instruments [J]. Journal of Luoyang Normal University， 2015， 34（2）： 48?51.