水下專用測控系統研究范文

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《杭州電子科技大學學報》2017年第1期

摘要：針對新型海底取樣設備對運行過程穩定性和測控多樣性需求的提升，設計了一種基于分布式管理的水下專用測控系統．系統通過功能劃分將整體轉化為一組特定的功能模塊，各模塊搭載隔離CAN收發器并以板卡接入的方式連接到CAN總線網絡中，以此建立以主控板卡為核心的集中管理、分散操作的集散式測控結構．測控結構良好的接入能力與擴展性使得系統能夠便捷地實現功能的擴充．系統擁有自檢能力，能實時監測自身電能與外部系統控制狀態．測試結果表明，系統能穩定高效地運行并完成各項測控功能．

關鍵詞：分布式管理；測控；板卡接入；可擴展性；自檢

0引言

水下取樣設備是開展海洋地質及環境科學研究、海洋礦產資源勘探和海底工程地質勘察所必備的關鍵技術裝備．隨著設備不斷改進，對其測控系統功能的多樣性和穩定性提出了更高的要求．傳統測控系統如模擬儀表測控系統，測控分散、精度低且易受到干擾；集中式數字測控系統可實現統一調度與管理，但其對核心單元的處理能力要求極高，在復雜的環境下無法高效運作，系統容錯能力與擴展能力較差．本文設計的基于分布式管理的水下專用測控系統很好地彌補了這些不足．系統由測控級和監控級組成多級測控，其核心理念包括集散式測控、分級管理、靈活組態與配置等．相較于傳統測控系統，其將單個分立的測控系統變成網絡節點，并以主控節點為管理，以CAN總線為紐帶，將它們連接成為可以實現信息互通、共同完成測控任務的分布式測控系統．CAN總線能夠保證節點間數據通信的實時性，且其擁有良好的容錯控制能力，保證了系統的靈活性與可靠性．

1系統設計

系統分為水下測控系統和甲板監控系統．水下測控系統采用板卡接入的設計方式，其中主控板卡作為系統的核心處理單元，負責水下系統的運行管理，實現數據的交互．電源管理板卡、繼電器控制板卡和采集板卡組成基本功能板卡．甲板監控系統包括監控上位機和甲板光纖通信機．水下系統與甲板系統之間采用光纖通信．系統工作原理如下：采集板卡負責模擬量和數字量采集，并將采集數據發送至主控板卡，由主控板卡負責預處理并上傳至監控上位機，上位機完成數據最終處理；上位機的控制請求通過主控板卡解析并發送至繼電器控制板卡，完成對外部系統的控制．主控板卡與上位機的數據交互采用串口通信，并提供了網絡通信的條件以便系統后續深入優化．水下測控系統內部則采用基于CAN總線的分布式體系結構，各總線節點獨立負責其各自的任務，從而減輕主控單元的工作負擔，并能保證數據傳輸的實時性和可靠性．當需要增加功能板卡時，只需將其接入總線網絡，即可便捷實現系統功能擴展．各板卡均搭載統一的隔離式CAN收發模塊并配合隔離電源，為CAN控制器提供差分收發能力．基于系統的靈活性和擴展性，擴展板卡的類別可以根據應用需求而定．例如，在水下傳感器需求較多的場合，可添加采集板卡以擴展系統的采集功能；在機械系統復雜的場合，可添加繼電器控制板卡以擴展系統的控制功能．為實現系統自檢，本系統在電源部分添加了電源管理功能，實時監測系統供電電能；在繼電器控制部分應用閉環檢測結構，向監控系統實時反饋控制狀態與輸出狀態，增強了系統的可靠性與可維護性．

2硬件設計

本文采用模塊化的設計思想，將不同功能分解并集成到對應的功能板卡上，板卡以節點的形式接入CAN通信總線，建立分布式測控系統結構，在主控板卡的管理下，各板卡分工協作，互不干擾．硬件設計遵循通用性原則，各板卡均采用與主控系統同樣的核心處理芯片，CAN收發控制采用相同的隔離收發器來設計．

2．1主控管理

主控板卡作為系統的核心管理單元，除采集系統姿態數據以外，并不直接參與系統的對外控制和數據采集，這從很大程度上減輕了其負擔．主控MCU采用STM32F407ZET6．該MCU采用Cortex－M4內核，最高主頻可達168MHz．主控系統以性能良好的主控MCU為基礎，配置了豐富的外部資源，包括網口、以太網PHY芯片、外部SRAM、外部Flash、TFCard、六軸姿態測量模塊．主控系統還提供了多路具有帶大負載能力的供電輸出，為外部攝像系統提供穩定可靠的電源，并且各路電源均通過光電隔離器以及并行輸入／串行輸出移位寄存器芯片實現電源檢測．

2．2電源管理

電源管理板卡分為整流濾波板卡和電能監測板卡．整流濾波板卡為系統提供直流供電電源，電能監測板卡的主要功能是檢測交流電能，其采樣電路在整流濾波板卡中提供．電能監測板卡的核心是RN8209G電能計量芯片．芯片內部的集成處理單元對交流采樣數據進行精確解析，高效地測量電路的有功能量和有功功率，且其內部的電源監控電路可以保證芯片在斷電時也能可靠工作．應用高性能電能計量芯片實現電能自檢，有助于技術人員及時定位和處理系統異常，提升系統的可靠性和安全性．

2．3測控功能模塊

2．3．1繼電器控制板卡

繼電器控制板卡負責系統外部控制．水下作業離不開龐大而復雜的機械設備，機械設備執行操作需要電子控制系統提供支持．本系統通過控制該板卡上的多路繼電器來驅動水下液壓閥組，并由水下液壓閥組來完成相應的外部機械設備的控制．另外，如水下尋址燈、攝像頭、電源轉換模塊等設備的開關控制也可由該板卡負責執行．針對傳統繼電器控制結構單向開環的弊端，分別在繼電器控制端和輸出端添加閉環檢測結構．繼電器控制端采用光耦隔離檢測技術，可以有效避免外圍系統對MCU造成的意外傷害．當MCU發送繼電器控制信號時，檢測電路將繼電器控制端的電平狀態反饋給MCU，從而幫助系統獲取繼電器的控制狀態．由于設備的工作電流通常較大，系統采用線性電流傳感器檢測繼電器輸出端的電流值，以獲取繼電器所帶外部負載的運行狀態．

2．3．2采集板卡

采集板卡分為模擬量采集板卡與數字量采集板卡，負責為各類水下傳感器提供數據傳輸與處理接口．伴隨著水下設備的復雜化與規模化，單點信息采集早已無法滿足需求．針對大規模、分布式的水下設備，板卡集成了多通道信息采集系統以全方位監測設備運行狀態．常用的水下設備采集量包括姿態、位移、壓力等模擬量，位置、轉速等數字脈沖量以及溫度、高度計數據等，這些采集量均來自不同類型的水下傳感器．每類傳感器的數量不一，因此系統設計了多路分壓式隔離與非隔離模擬信號采集電路來處理多組采集數據，用戶只需根據傳感器不同對分壓電路上的電阻值稍作修改即可實現采集功能，具備較好的通用性．其中在隔離采集電路應用低功耗隔離運放，能夠在保證輸出信號不衰減的同時有效屏蔽干擾信號，提升采集系統的可靠性和安全性．同樣考慮到電路兼容性，采用光電隔離器配合MCU內部三態緩沖器實現多路數字量采集，減少了輸入端干擾并保證系統安全．

2．4系統擴展利用CAN總線節點即插即用的特點，系統測控功能的擴展十分便捷．擴展板卡只需搭載統一的隔離CAN收發模塊并加入通信總線中，并與其余各板卡遵循同樣的協議，就能夠與系統建立通信，對于系統原有的硬件電路無需做任何修改．

3軟件設計

3．1主控系統

軟件設計主控板卡作為水下通信網絡的核心節點，負責水下系統運行管理以及與上位機通信．主控系統軟件流程主要分為下行指令與上行數據的管理流程．主控系統軟件流程如圖4所示．其中串口發送請求標志位是在數據傳輸時序控制單元中設置的．數據傳輸時序控制單元包含在定時器中斷函數中，其具有計數功能，設定了發送CAN刷新幀和數據上傳的時序.主控系統設置了獨立看門狗來保證系統的穩定工作．獨立看門狗與數據傳輸時序控制單元共用定時器．若5min內系統接收到了上位機發來的心跳信號，則系統喂狗，防止復位；若未收到心跳信號，則系統將自動復位．系統為每個總線網絡上的節點分配了一個獨立ID，即總線數據幀仲裁域標識符，該標示符采用標準幀格式．若系統有擴展需求，根據預定規則來設定擴展板卡的ID．對于新增的板卡，只需根據其ID對原先的軟件設計稍作修改，進行并不復雜的功能擴充，就能夠便捷的實現系統的功能擴展．

3．2CAN通信設計

為了保證CAN通訊的穩定，系統采用計數器對CAN通信單元進行監控．CAN通信流程如圖5所示．主控系統每隔100ms向CAN總線發送刷新幀，更新繼電器的控制狀態，并由計數器計算被控系統的響應時間．若500ms內主控系統接收到來自CAN總線的反饋信號，則系統CAN單元工作正常．否則，CAN通信單元將自動復位并重新初始化．

4系統測試

本文對系統的通信及安全，測控子功能，自檢等方面分別進行測試．其中，通信安全測試包括自動復位與重啟測試，測控子功能測試包括數據采集與控制功能測試，自檢測試包括繼電器控制端與輸出端反饋測試，輸入電能自檢測試等．

4．1通信及軟件安全性測試

系統正常運行一段時間后，斷開主通信連接，5min后指示燈指示系統自動復位，表明系統安全機制有效．若程序出現故障，能夠自動完成重啟，以保證系統可靠與穩定．

4．2控制與自檢功能測試

以功率電阻作為系統負載并記錄系統的供電電能參數．如圖6所示，輸入電能隨著負載的變化而變化，以此實現電能實時自我監控．對繼電器控制板卡繼電器做開閉測試：繼電器打開時，上位機接收到來自繼電器板卡的反饋信號后將對應的繼電器開關按鈕高亮顯示．打開帶負載的繼電器，監控界面能夠顯示其負載工作時的電流值．圖7為實驗室測試環境．

4．3數據采集功能測試

用高精度數字源表模擬傳感器分別輸出電壓信號和電流信號，電壓值范圍為0～5V，間隔0．5V；電流值范圍為4～20mA，間隔1mA．用函數信號發生器模擬傳感器輸出的數字脈沖信號，設置輸出信號為方波，頻率范圍20Hz～2kHz．測試結果顯示，系統可準確獲取模擬量和數字量輸入值并通過上位機界面顯示，系統采集功能正常．

4．4擴展功能測試

為系統添加一塊繼電器控制板卡和一塊采集板卡，指示燈顯示CAN通信正常，通過上位機可以控制新增繼電器板卡的繼電器并能獲取到來自采集板卡的數據．

5結束語

本文設計的基于分布式管理的水下測控系統，突破了傳統測控結構的局限性，實現了分布式的數據采集，外部控制以及統一的流程管理、數據通信、界面操控與顯示等功能，為水下取樣設備提供了功能多樣化且高性能的測控平臺．隨著海洋科學考察不斷深入，水下裝備不斷朝著大型化、復雜化與智能化方向發展，基于分布式管理的系統測控模式在海洋地質調查與資源勘探等領域具有更加廣闊的應用前景．

參考文獻

［1］劉德順，金永平，萬步炎，等．深海礦產資源巖芯探測取樣技術與裝備發展歷程與趨勢［J］．中國機械工程，2014（23）：3255－3265．

［2］侯強．基于網絡的分布式測控系統研究［D］．西安：西北工業大學，2005．

作者：劉敬彪，厲軻 單位：杭州電子科技大學電子信息學院