基于CODESYS與ARM的車輛組態系統可視化界面通用方案設計

姜俊彤，李 鴻，曾周煜東

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙410114）

以傳統PLC（可編程控制器件）硬件與上層專用開發軟件為基礎的開發平臺因其在工業環境應用下具有運行穩定性高、組態靈活、開發環境友好等優點［1］，所以廣泛存在于各類工控領域中。然而自傳統PLC誕生以來，由于系統硬件都是基于特定解決方案設計的，從而導致傳統的開發平臺存在硬件體系不兼容、編程語言與指令系統各異、體系結構封閉等缺點，難以適應日漸復雜變化在車輛組態系統可視化界面開發方面的市場需求［2］。

近些年來如文獻［3-6］中的眾多學者等都對列車可視化界面通用平臺的問題進行研究，并提出在ARM為內核的CPU中運行linux操作系統作為解決方案。但存在著諸如非專業編程人員難以熟悉該系統的問題；系統本身是分時操作系統，在實時性上難以滿足IEC（國際電工院委員會）標準等問題。基于上述問題，提出一種基于ARM與MVB（多功能車輛總線）通信實現的軟PLC可視化界面通用平臺設計。闡述通用平臺系統運行機制，并基于此硬件平臺提出CODESYS通用編程框架，最后以深圳某線HMI（人機交互）屏項目為試驗對象對平臺性能進行測試。

1 系統整體框架

文中提出的以PLC軟核為核心的通用平臺系統如圖1所示，分為3個模塊：IO信號處理模塊、車載信號邏輯處理模塊、列車組態界面顯示模塊。具體工作流程為IO處理模塊對列車信號數據進行預處理，并將處理后的數據流通過MVB與車載信號邏輯處理模塊進行交互；在車載邏輯信號處理模塊中移植CODESYS內核引擎使其CPU上運行的Vxworks實時操作系統能執行通過TCP/IP傳輸的上層編譯文件，并通過XML配置文件進行IO地址映射達到共用內存的目的；在列車組態界面顯示模塊中移植CODESYS內核引擎使其CPU上運行的Linux分時操作系統能夠運行上層圖形化開發界面的編譯文件，通過觸發中斷更新數據結構體的方式滿足人機交互的需求。

圖1 系統整體框架

基于通用平臺設計低耦合、高穩定、易于移植的要求，將列車信號處理、圖形化界面顯示、數據流處理分別在IMX.6、S3C2440、stm32F407三款CPU上運行。并基于實際需求與操作系統的優勢分別選擇了實時性具有明顯優勢的Vxworks操作系統負責列車復雜邏輯處理、界面運行穩定的Linux操作系統負責界面顯示、高效經濟的裸機操作系統對IO信號進行預處理。在程序運行復雜度和耦合度指標上，實現從θ(i+j+n)到θi+θj+θn的轉換。

為滿足列車車載設備安全穩定的要求，其中IO板卡信號配合雙冗余電源，信號處理全部采取基于FPGA的1oo2D結構，DI、AI信號經過濾波處理電路輸入處理進入IO板卡，并通過內置FPGA對雙冗余的輸入輸出信號進行判斷，若信號判斷正常則對外進行輸入輸出操作，如圖2所示。通過模糊故障樹對其1oo2D結構進行計算：理論危險未檢測到的共因失效率為λduc=βλdu、一般失效率為λduc=(1-β)λdu。1oo2D結構要求時失效概率近似計算公式為PFD1oo2D=λduc×TI+(λdun×TI)2，將三角模糊數的概念帶入底故障事件，頂事件的發生模糊概率為

圖2 IO處理板

而平均失效概率PFDavg等于運行時間上危險失效PFD概率平均值。

假設元件失效率在生命周期內保持不變，根據內部試驗數據統計將共因失效系數取β=0.03，根據列車運行設備真實檢修周期將周期系數取為0.5α，最終計算出設備0.5α的PFDavg的模糊數為滿足IEC 61508下 的SIL2等 級 的（1.147×10-3，1.508×10-3，2.169×10-3）。

由此提出的可視化界面通用平臺具有信號系統處理效率高、IO信號安全、車載硬件平臺擴展性與適應性高的優點，能夠滿足不同項目之間數據流、通信方式、IO配置、硬件平臺差異化的需求。

2 硬件設計

2.1 系統硬件架構

系統硬件架構設計如圖3所示：該平臺主芯片運行Vxworks與Linux雙系統、TCNS協議棧軟件與內置CODESYS-runtime引擎，其中Vxworks是滿足工業系統要求的實時操作系統。模塊的主CPU為IMX.6Q控制器，該芯片采用A9內核，為4核高性能處理器。最高主頻率可達1.2 GHz，并帶有1 GBit/s以太網口，多路SPI/UART/CAN等通信接口，完全滿足列車工控產品的需求。

圖3 硬件系統框架圖

系統的通用外圍電路包括：由外部晶振提供的系統時鐘、看門狗刷新、程序儲存與運行、MVB控制器、串口及以太網等通信接口組成。其中看門狗刷新由看門狗芯片與系統時鐘實現，在規定時間內系統軟件運行正常執行喂狗操作，否則看門狗發出復位信號程序重新啟動。程序儲存與運行電路包括SDRAM、FLASH等，對上電后與系統運行的程序、數據、配置文件進行儲存。RS232接口提供后期產品運行階段調試與更新新版本程序功能。以太網提供與上位機監控系統通信的擴展要求，并通過以太網實現運行在操作系統上的CODESYS-runtime內核引擎與上層開發軟件的編譯信息交互功能。MVB協議控制器滿足板卡模塊間的MVB通信需求。

2.2 MVB檢測系統

MVB檢測系統主芯片選用ALTERA公司的Cyclone IV系列FPGA作為核心，并選用MAX3292作為MVB數據的采樣芯片，如圖4所示。該系統主要完成波形分析與數據分析功能。波形分析通過采樣電路完成波形提取與特征值信息的采集，包括：穩態電平幅值、過零點斜率、幀電平信息等，然后將提出的MVB波形特征值與IEC 61375-3-1的標準進行比較。數據分析模塊是對MVB數據的總線負載率、從幀數量、誤碼率等進行判斷，判斷成功之后，將雙路IO信號輸出至IO板卡的MCU進行數據校驗，若校驗成功則輸出其中一路IO信號通過MVB進入車載處理系統。

圖4 MVB檢測系統

MVB通信模塊選用基于ALTERA公司的Cy?clone IV系列FPGA作為核心，并以SPI時序與外界通信。為了滿足MVB通信模塊對于電壓穩定性的要求，需在外圍增加由磁珠與電容構成的電源正極濾波電路，從而達到減少電源波動與波紋的作用。

2.3 MVB總線收發電路

MVB總線收發電路如圖5所示，選用MAXIM公司的RS485收發芯片MAX3292，采樣頻率高達10 MBPS，滿足對于MVB檢測采樣的速率要求。由于MVB總線為差分信號，故需在輸入電路的前端增加差分轉單端電路，并增加濾波、穩壓電路對輸入信號進行處理。

圖5 MVB總線收發電路

3 軟件設計架構

3.1 軟件整體

通用平臺結構設備的軟件結構復雜，具體軟件架構主要由3部分組成：上層環境應用程序、操作系統的邏輯處理以及過程數據的MVB傳輸，如圖6所示。

圖6 軟件整體架構

除了總線化管理與網絡通信外，CODESYS編程環境最重要的是對工控對象進行圖形化流程編程。在通用平臺內部的CPU中嵌入CODESYS的Runtime引擎負責對上層編程環境中的任務與命令進行解釋。CODESYS圖形化編程的5種編程語言均滿足IEC 61131-3標準規定［7］，分別為：ST結構化文本編程、FBD功能塊圖編程、CFC順序功能圖編程、CFC順序功能塊編程、LD梯形邏輯圖編程，編程人員可根據實際項目要求選用方便快捷、符合編程邏輯的語言解決問題［8］。同時CODESYS環境也支持離線仿真、在線調試的功能，既可以將本身的PC端看做是運行設備進行仿真，也可以在線對程序運行變量進行監控、強制修改，具有開發環境友好、開發效率高、開發項目靈活多變的優點。

通過CODESYS軟件，用戶進行符合IEC 61131-3標準的語言對組態可視化界面開發之后，通過TCP/IP網絡下載進通用平臺中，通用平臺的Run?time引擎對于上層任務進行解釋并且執行。可視化界面相關數據通過數據映射與通用平臺共享同一片內存，通過MVB過程數據應用接口與外圍的IO板卡進行車載數據通信。

3.2 CODESYS軟件架構

CODESYS可視化界面編程通用架構主要分為：IODRV映射、GVL結構體、FB通用功能塊、PRG程序、Task任務、ImagPool圖形池、Visualzation可視化編程等7個部分組成，如圖7所示。

圖7 CODESYS軟件架構

其中IODRV與通用平臺共享同一片內存進行數據交互，用戶可根據實際項目數據流對其進行修改；GVL定義數據結構，在上層環境地址中對MVB數據流輸出與獲取，并且對可視化界面需求的數據進行定義；FB通用功能塊封裝通用的數據處理過程，將MVB數據流與可視化界面需求的數據結構聯系起來；PRG程序調用FB通用功能塊與數據結構生成任務調度下的子程序［9］；Task任務為滿足MVB通信與項目的周期需求，對子程序進行調度；ImagPool圖形池對CODESYS編程環境嵌入JPG圖形，使其成為可視化界面的編程元素庫；Visualzation在已有的元素庫的支持下，對列車組態化可視化界面進行設計，并將其中圖形化元素的變化與Visualzation_PRG的變量相關聯。整套可視化界面開發軟件架構具有耦合度低、移植性高、調試難度低等優點，符合車輛組態系統可視化界面開發靈活多變的需求。

4 系統仿真

以自主研發的基于通用平臺的深圳某線列車可視化界面和MVB陪測設備已經完成模擬真實列車運行環境下的仿真試驗與設備型式試驗。因整體項目可視化界面試驗項目較復雜，難以闡述清晰，僅以運行主界面為例，設備外觀設計如圖8所示（單位：mm），仿真運行效果如圖9所示。

圖8 設備尺寸圖

圖9 主界面運行圖

基于CODESYS環境運行的主界面通過與外界進行MVB通信，可靈活顯示列車車輛各子系統狀態信息；對當前接入基于MVB總線的列車網絡上設備的運行狀態進行實時監控，從而對列車設備故障及時響應；方便完成對列車網絡子系統信息的設置，例如需要設置當前運行模式的空調子系統以及列車運行線路信息等。由于CODESYS編程完全符合IEC 61131-3的國際標準，并且配有實時操作系統的硬件平臺支撐，所以在此基礎上開發的車輛組態可視化界面除了功能完善，還具有運行穩定、操作響應迅速等優點。由于在最初的軟件架構上即具有低耦合、易移植、模塊化的特點，既能大大加快排除程序故障的時間，又能使開發者在進行不同項目之間移植的過程中，可根據需求在圖形池的支持下靈活地對可視化界面進行修改與二次開發，從而大大加快開發效率。

5 結語

在CODESYS軟件平臺上模擬實現了軌道車輛的系統視圖界面，通過模擬運行證明，該界面較好地實現了軌道車輛的各項實際功能，并具有運行穩定、操作響應快速的優點。選用CODESYS軟件，可以靈活多變的配置可視化界面，大大地加快了界面設計開發在界面設計開發的效率。同時也完成對底層數據通信和硬件平臺支撐的整體設計，實現了整套可視化界面開發通用系統方案。