（机械电子工程专业论文）嵌入式、可重构远程测控系统的研究与设计.pdf

iv 摘 要 可重构制造是下一代制造模式 本文针对可重构制造系统中检测环节的重构问题 开展研究从可重构测控系统总体结构现场测控单元和上位机测控软件几个方面 入手开展工作主要研究内容包括 第一,分析了可重构测控系统的工作原理给出了可重构的远程测控系统总体结 构研究了测控卡数据采集卡数字 i/o 卡等可重构的实现方法现场测控装置 系统级可重构的实现方法和上位机可重构测控软件的实现方法 第二针对可重构测控装置设计问题在分析了几种常用的嵌入式装置可重构 设计方法后借鉴组态软件设计思想给出了基于脚本和进程函数的设计方法然 后设计出了基于 pc104 的可重构测控装置实现了测控卡的重构和测控装置的系 统级重构 第三针对上位机可重构测控软件设计问题采用虚拟仪器技术设计上位机测 控软件,用 labview 的 cin 节点扩展了一系列测控功能子 vi使用这些测控功能子 vi 用户可以根据具体的测控任务重构自己的测控应用软件 最后为了验证研究工作的效果采用可重构的测控装置运行可重构测控软 件的上位机以及分布式的测控网络设计了一个原型系统实现了对制造系统中物料 传送过程的控制实践证明该系统具有很好的柔性能够满足可重构制造系统的需 求 关键词可重构制造 测控系统 虚拟仪器 软件总线 v abstract the reconfigurable manufacturing system will be the next generation manufacturing pattern. in this dissertation, the reconfigurable problems of measurement and control links in reconfigurable manufacturing systems are studied. the problems are studied in the following contents:the total structure of the reconfigurable measurement and control systems, locale measurement and control units and host monitoring software.in the following parts ,the details are introduced. firstly, the working principles of the reconfigurable measurement and control systems are analysed and the total structures of reconfigurable remote measurement and control systems are proposed and the following implementing methods are proposed: the measurement and control cards(data acquisition cards, digital i/o cards etc) reconfiguration, the locale measurement and control devices reconfiguration on system level and the host reconfigurable monitoring software. secondly, in order to solve the reconfigurable locale measurement and control devices designing problems, several kinds of common embedded devices reconfigurable designing methods are analyzed, and then this dissertation proposes the designing methods based on script and process functions according to configuration software designing principles.on the basis of the above methods, the locale reconfigurable measurement and control device is designed based on pc104 to put reconfiguration of the measurement and control cards and system level reconfiguration of the locale measurement and control equipment devices into reality. thirdly, in order to solve the reconfigurable monitoring software designing problems, the methods in using virtual instrument technique to design monitoring software are proposed and then a series of monitoring sub vis are extended by the labview s cin nodes. the users can reconfigured their own measuring and controlling software according to present tasks by using such sub functions. finally, in order to prove the effect of the researching works, a prototyping system is designed by using the reconfigurable locale measurement and control devices, the host computer running the reconfigurable monitoring software and the distributed measurement and control network to control the materials conveying process in manufacturing systems. it is proved that the system is well flexible and can meet with the requirements of the manufacturing systems. keywords: reconfiguration manufacture measurement and control system virtual instrument software bus iii 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知除文中已经标明的引用的内容外本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均在 文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 2004 年 4 月 22 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在_ _ _ _ _ _ 年解密后使用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 课题概述 1.1.1 课题来源 本课题来源于华中科技大学网络化测试实验室承担的国家自然科学基金委员会 资助项目面向制造业的可重构测式系统理论研究课题编号50275061 1.1.2 课题的提出 本学位论文申请人参加并承担了国家自然科学基金委员会资助项目面向制造 业的可重构测式系统理论研究的部分研究工作面向制造业的可重构测试系统理 论研究项目针对网络经济时代动态制造环境对制造系统提出的可重构进化与升 级的要求研究基于软件总线的在运行环境下功能可以变更和扩展的动态可重构 测试系统给出了动态可重构测试系统模型和设计理论研制出了软件原型系统 该项目的主要研究内容有 1可重构进化与升级的测试系统理论方法学 2基于软件总线的可重构测试系统模型 3信号流驱动的测试系统总线控制结构模型 4软件总线环境下的测试系统功能模块软件芯片模型 5基于数据的带初始化和连线能力的软件芯片模型 6可重构测试系统组态编程语言模型 7测试系统软件芯片集成进化理论研究 8嵌入式可重构现场测控装置研究 9可重构测试系统开发平台原型系统实现 本学位论文承担其中的嵌入式可重构现场测控装置研究和可重构测控原型系 统实现两个部分的工作 下面是项目产品的结构框图 2 图 1-1 可重构测试系统结构图 1.1.3 课题研究的目的和意义 本课题的研究目的在于研究一种适于可重构制造需求的测控系统可重构制造系 统与传统制造系统的主要差别在于制造系统的结构设计在系统级和设备级都是可调 节(可重新配置)的制造系统的设计是针对零件族的,并具有用户化的柔性特征以生产 出该零件族中用户所需求的全部零件检测系统作为可重构制造系统的子系统在结 构设计上应该是可调节的因此测控系统作为检测系统的核心控制单元也应该是可重 新配置的而传统的测控系统是一种刚性系统其结构和功能是固定的用户难以改 变因此研究一种可重构的远程测控系统对于可重构制造系统具有如下意义 1) 采用开放式的体系结构测控装置的结构和功能都是可变化的而且上位机 可以对测控系统的软硬件资源集中管理因此可重构的测控系统使得检测系统能够 适应制造系统变形后产生的新的测控任务 2) 测控系统可由用户重构测控任务完全由用户分配体现出了可重构制造系 统用户化的柔性特征 3) 测控系统的网络通讯模块也是可重构的用户可以根据制造系统的规模技 术现状生产成本等选择合适的测控网络 4测控装置采用嵌入式系统结构具有设计灵活结构紧凑可靠性高市场 生命周期长等特点减少了可重构制造系统的维护费用 5网络化测量网络化仪器能实现设备信息和测量信息的上网便于实现企业 生产过程各环节的数字化管理提高企业的生产管理水平 可重构现场 测控装置 1 可重构现场 测控装置 2 可重构现场 测控装置 n 测控软件平台 测控卡 嵌入式控制器 测控卡驱动程序 虚拟仪器 测量卡 软件平台 测控网络 3 1.2 相关技术的国内外现状和发展趋势 1.2.1 可重构制造系统 制造系统与新产品开发商务实践构成了制造的三个基本要素制造系统中的 关键问题是如何快速设计与建立新产品生产的系统使企业及时抓住商机80 年 代以来不断全球化和呈快速多变的制造货物市场上传统制造系统如刚性制 造系统rms 等均不能满足市场变化的需求为了解决这一问题 1996 年美国 michigan 大学 koren 通过对目前典型制造系统的分析提出了可重构制造系统的概念 rmsreconfiguration manufacturing system 国内外 rms 的研究情况美国 michigan 大学主要针对缩短 rms 设计建造 时间可重组机床与控制器设计压缩系统重组后达到正常运行的过渡时间斜 升时间三方面进行研究美国国家自然科学基金对这一为期 5 年的项目给予了极大 的资助,项目总拨款接近 700 万美元与此同时美国依阿华大学和麻省理工学院的研 究人员也对这类系统的设计进行了研究1,2,3 在欧洲欧洲委员会在欧洲机床工业的现状与未来中明确提出按自治功能 单元划分模块进行模块化机床设计与制造并开展模块生产的专业化协作此外汉 诺威大学领衔开展了先进机床模块化综合项目研究明确按顾客规定的模块进 行机床的重组斯图加特大学等还对加工系统重组机床模块应用的接口设计及机 床坐标轴模块进行了研究4,5 1998 年我国国家自然科学基金委员会资助开展 rms 重点项目的研究 清华大学 在 rms 方面作了较多的研究主要研究内容包括制造系统重组的系统设计理论 它主要是基于 suh n.p.的公理设计理论和并行工程的可重组制造及其判别定理和 dfm可诊断性设计dfd基于随机过程理论的系统运行与布置理论零件工艺 驱动的系统规划布置理论产品创新设计的研究以及支持产品过程驱动的 rms 的 设计与规划 综上所述各国均对可重构制造技术和可重构制造系统进行了研究和探索可 以预见建立在科学基础上的可重构制造系统rms技术将成为支持新世纪制造 业发展的重大技术 rms 的发展趋势目前对 rms 的研究主要集中在以下几个方面机床可移 动性与性能测试评价的研究建立 rms 技术平台开发自主版权的计算机化与智能 化技术和软件开发基于经济可承受性的投资分析系统及支持软件开发 rms 技术 实施的系统管理与 team组织管理及其评价体系在企业进行应用示范根据现有成 4 果来看rms 发展的主要趋势为6,7 在基础研究和应用研究的基础上开发实用技术和支持系统工具改变个别摸 索或经验型为科学化标准化技术与作业 在先进制造战略指导下逐步建立完整的 rms 理论设计与规划方法测 试和评价方法使之与其它先进制造技术形成融合的第三技术群 深入研究系统分解与集成的理论将其与集成制造和 cims 等技术一起形成 能建立和发挥系统乘积效果的科学重构理论技术 在模块化理论指导下研究开发模块化的装置机床装备和产品 研究和开发支持 rms 的系统集成管理订货化商务和生产运作管理以及 rms 小组组织与管理 1.2.2 可重构技术 可重构技术除了应用于制造领域外在其它领域如电子信息领域医疗领 域等也得到了广泛的应用可重构技术在目前的应用中主要包括硬件可重构技术 和软件可重构技术 1硬件可重构技术硬件可重构技术是一种在信息处理领域中应用非常广泛 的技术20 世纪 70 年代末前苏联科学家 studlana p.kartashev和 steven i.kartashev 博士提出了动态可重构的系统结构概念80 年代可重构技术得到了较大的发展 在容错计算并行处理集成电路等方面得到了广泛应用进入 90 年代,随着具有可 重构能力芯片 fpga 的出现和发展,硬件可重构研究成为新的研究热点硬件可重构 技术在电子信息领域的发展尤为突出1984 年 xilinx 公司发明了现场可编程门阵列 fpga(field programmable gate array),随后出现了复杂可编程逻辑器件cpld这 些器件由于具有用户可编程的特性 设计人员利用与器件相应的 cad 软件可以很容 易设计自己的 asic(application specific integrated circuit)器件 实现用户规定的各种 专门用途32fpga 和 cpld 的出现使得硬件可重构技术达到了门级可重构的水平 9,10 2软件可重构技术软件可重构技术是现代软件设计工程中重要的一种设计 方法这种设计方法的对象是传代软件系统所谓传代软件系统是指那些经过长时 间运行的软件系统随着时间的推进各种软件新技术不断出现形成了对这些传 代软件系统的巨大冲击传代软件系统面临着如何适应新需求的问题软件可重构 技术的提出就是为了解决这个难题目前软件可重构技术的典范是虚拟仪器技术和 组态软件技术 虚拟仪器virtual instrumentation,vi最早是为了适应 pc 卡式仪器于 1986 年 5 由美国国家仪器 national instruments 公司提出的 随后美国惠普 泰克 tektronix 雷卡等公司相继提出了基于 pc 总线的虚拟仪器随着一些新的 pc 技术和数据采集 技术逐渐应用到 vi 中 虚拟仪器技术取得了一些新的进展 出现了基于 web 的虚拟 仪器虚拟硬件virtual hardware可互换虚拟仪器ivi等从 1995 年开始 国内的一些大学和高科技公司相继开展了基于 pc 总线的虚拟仪器技术的研究和开 发工作研究和开发了一些虚拟仪器产品如深圳蓝津信息技术有限公司推出了 快速可重组虚拟实验平台drvi 11,12 在组态软件技术方面 90年代 随着微软的windows3.0风靡全球 以wonderware 公司的 intouch为代表的人机界面软件开创了 windows 下运行工控软件的先河使 该公司迅速在不长的时间内成为全球最大的独立组态软件厂商组态软件分为人机 界面软件hmi如 intouchifix组态王等基于 pc 的控制软件统称软 plc 或软逻辑,如亚控的 kingact西门子的 winac 等生产执行管理软件如 intellution 公司的 ibatch wonderware 公司的 intrack 等目前全球知名的组态软件厂商不足 20 家前 6 家占据了整个市场 75%左右的份额,它们分别是 wonderwaresiemens intellutionrockwellgefanuccitech13,14 目前对软件可重构技术的研究已深入到很多领域例如在数控系统的软件重 构方面 美国密西根大学提出了一种有限状态机(finite state machine)模型,采用这种模 型构造数控单元模块,不同模块之间可以相互通信,当重构数控系统时,只需重构状态 表和行为集即可国内前华中理工大学提出了基于软件芯片的开放式数控系统的实 现模式,它利用面向对象技术将数控系统的功能进行抽象,封装为可重用的软件芯片, 通过组装芯片来集成数控系统浙江大学提出了基于组件对象模型(component object model ,com)的开放式数控系统,将数控系统的功能进行抽象,封装为可重用的 组件,通过组件的集成来构建数控系统15 1.2.3 可重构系统的特点 基于软硬件可重构技术的可重构系统在设计思路上完全不同于传统的系统设 计从上面对可重构制造系统的研究现状以及可重构技术在其它领域的研究现状的 介绍来看可重构系统应具备以下特点30,31 模块化可重构系统中的所有部件必须是模块化的包括所有的硬件软件都 采用模块化设计若有必要各部件可以更换而不必改动整个系统从而使得系统 易于维护并降低了成本 集成性为了使整个系统结构清晰便于使用和维护有必要建立起一系列系 统集成方法和原则这些方法和原则应包括整个系统以及部分控制单元 6 可转换性:系统的可重构性要求可以利用已有的软硬件资源来实现不同的功能产 品同时在改变功能时应尽量缩短时间因此要求系统的软硬件模块必须具有快 速转换的能力 具体化为降低成本可重构系统应该设置成适用于系列化的功能产品而不 是面向各种各样的广泛功能产品 1.3 本文的主要研究工作 本学位论文针对可重构制造系统中检测系统的可重构设计将系统可重构技术 引入测控系统中研究嵌入式可重构远程测控系统的具体实现内容涉及测控装置 上开放式测控软件的设计上位机上可重构测控软件的设计测控装置和上位机上 硬件扩展模块的设计等具体研究工作主要体现在以下几个方面 测控装置上测控卡可重构实现通过分析可重构制造系统对检测系统的设计 要求给出了嵌入式可重构远程测控系统的概念以及系统的特点和设计要求采 用基于脚本和进程函数的软件重构设计方法实现了测控卡的重构包括测控卡基 本配置信息管理模块设计测控指令参数辨认模块设计为测控卡驱动程序提供的 软件接口设计等 测控网络中测控装置可重构实现采用基于脚本和进程函数的软件重构设计 方法从实现网络通讯模块的可重构达到测控装置可重构的目的主要涉及以下内 容应用层网络通讯协议实现底层网络通讯接口设计测控指令处理模块设计等 上位机可重构的测控软件实现为了适应远程测控系统的可重构测控任务 的灵活多变采用了基于虚拟仪器软件平台的上位机测控软件设计方案主要包括 以下功能子 vi 的设计测控指令产生节点cin 节点设计网络通讯子 vi 设计 回应消息处理节点cin 节点设计具体测控功能子 vi 的设计包括提取测控 卡操作指令功能码模块提取测控卡操作指令模块和执行测控卡操作指令模块的设 计 嵌入式可重构远程测控原型系统的具体实现在完成了嵌入式可重构远 程测控系统主要功能单元的设计后设计了一个原型系统用于制造系统中物料传送 带的控制 本文内容组织如下 第一章绪论介绍了课题的相关背景知识第二章嵌入式可重构远程测控系统 概述从可重构制造系统rms对检测系统的设计要求出发给出了实现检测系 统可重构的嵌入式可重构远程测控系统的概念然后着重讨论了远程测控系统的 7 可重构实现方法最后给出了嵌入式可重构远程测控系统的总体设计方案第三 章测控装置上开放式测控软件的设计完成了适于软件模块可重构的测控软件平台 设计解决了测控装置的可重构设计问题第四章基于 labview 的上位机可重构测 控软件设计扩展了一系列测控功能子 vi供用户组合使用第五章嵌入式可重 构远程测控原型系统设计基于 rs485 网络实现了远程测控系统的具体应用第六 章全文总结和展望给出了本文的主要结论和对下一步工作的展望 8 2 嵌入式可重构远程测控系统概述 2.1 引言 随着对可重构制造系统rms的深入研究人们为了实现 rms 各个构成单元 的可重新配置作了各种有效的尝试目前对测控系统的研究不断向低成本高速 高性能开放式等方向迈进取得了一定的进展但是计算机测控系统的设计过程 中仍然面临不少的难题16 下面将简要介绍可重构制造系统rms在明确了可重构制造系统的特点以及 可重构制造系统对其生产要素单元的设计要求的基础上针对检测系统的可重新配 置要求给出嵌入式可重构远程测控系统的概念着重分析嵌入式可重构远程测 控系统的可重构设计方法最后给出系统的总体设计方案 2.2 嵌入式可重构远程测控系统的概念 测控系统是可重构制造系统的一个重要子系统下面对可重构制造系统作简要 的介绍在此基础上给出嵌入式可重构远程测控系统的概念 2.2.1 可重构制造系统rms rms 的概念和构成rms 是为适应新的生产环境需要而设计的生产制造系 统可以通过重新安排或改变其生产部件而达到快速调节生产能力和生产功能的 目的新的生产环境是指产品需求变化产品更新或生产工艺改进等生产部件是 指包括整个生产线上的所有器件,如机床机构件传送线控制器传感器或软件 等5,6rms 的关键因素是模块化的可重构硬件和可重构软件rms 着重强调产品 的生产制造过程而不是开发新产品其目的是增强企业的快速响应能力以生产 出低成本高质量的产品 rms 的设计和配置过程rms 的生产部件是可以被重排的故设计出来的 制造系统本身应是柔性的一方面可以被升级或更新而不是简单被替换另一方 面可以制造多样性的产品而且生产线也是可以改变的因此 rms 开发的关键是 在开始设计阶段系统及其部件就必须具有柔性和可重构性同时还要满足功能和 性能的要求下图为欧共体欧洲信息技术研究发展战略计划 esprit研究计划中自 动化控制系统的开放系统(osaca)体系结构图 9 应用模块 a p i 通 信 操作系统 电子系统 数据库 图形工具 结构配置 应用程 序接口 系统软件 硬件 图 2-1 osaca体系结构 在完成了制造系统各生产单元的可重构设计后就是如何根据生产环境的变化 实现这些单元的系统级重构 实现 rms 的系统级重构应以所要实现的基本任务为依 据这些基本任务包括7,8 确定系统所要加工的零件或零件族 确定生产批量和混合比 确定模块库,包括一套给定的机器模块每一模块通过形状接口运动学 和刚度等来描述模块装配的约束描述一套给定的机械装置每一机械装置通过 一组运动学加工过程等来描述同机器模块或机械装置相适应的控制模块或系统 零件加工处理顺序的约束描述 为了保证配置后的制造系统的质量还应检测出给定的机器模块或机械装置的 不可实现性rms 系统的重构过程如图 2-2 所示 10 原制造系统新配置需求 制造系统配置分析与决策系统 制造系统建立可实现性 分析检验系统 系统配置开发与应用工具 重新配置后的制造系统 控制模块库机械模块库 决策知识 决策知识 图 2-2 rms 的重构过程示意图 rms 的特点rms 作为一个可重构系统必然具有 1.2.3 节所述的所有特点 其中可转换性表现在利用已有的生产线快速转换后生产出所需要的新产品rms 除 了具备上述特点外还具备可诊断性系统应具有对重新布置好的系统进行相应的修 正和微调的能力以确保产品的质量产品质量检测系统必须和整个系统有机的结 合这样可有助于快速找到影响质量的原因并借助统计分析信号处理和模式识 别等技术来保证高质量产品 2.2.2 嵌入式可重构远程测控系统 检测系统在 rms 中的重要地位主要体现在以下两个方面在生产线快速 可变形方面生产线改变后需要有先进的传感检测系统完成自动监控和标定例 如在美国克莱斯勒公司汽车车身冲压生产线上先进的模具更换装置只需 4 分钟 即可完成一整套冲压模具的更换在快速试生产方面为了进一步缩短产品上市的 时间,有必要压缩生产线调试和产品试制的时间,使其尽量与生产线的设计和制造同 步借助柔性检测系统可以快速完成对生产线的调试以及产品质量检测从而达到快 速试生产的目的 关于嵌入式可重构远程测控系统测控系统作为检测系统的核心控制单元直 接决定着检测系统的整体性能为了适应 rms 的需求采用了嵌入式可重构远程测控 系统 嵌入式 可重构远程测控系统是一种为适应测控任务变化而设计的具备远程测控 11 功能的测控系统 可以通过重新安排或改变其测控部件和软件 而达到快速调节测控功 能的目的下面给出该测控系统的特点和设计要求 测控装置上软硬件采用模块化设计硬件模块如嵌入式控制器通讯模块 测量和控制卡等软件模块如测控软件平台测控卡驱动程序网络通讯程序等 不同型号不同接口形式的测量和控制卡可以基于控制器实现单元级重构 通讯模块也可以基于现场控制器或上位机实现重构借助通讯模块的重构可 以实现测控装置或上位机的系统级重构 上位机测控软件对测控系统的软硬件资源集中管理能够实现网上测控资源 的重组及协同工作因此上位机上的测控软件也应具备可重构性 将整个测控系统分为上下两级便于系统维护和扩展 2.3 可重构的测控装置设计方法 上面给出了嵌入式可重构远程测控系统的概念和特点从中可以看出对可重 的测控装置的设计主要是实现测控装置上测控卡的可重构以及测控装置的系统级可 重构下面着重讨论可重构测控装置的设计方法 2.3.1 嵌入式装置可重构设计方法的分析与改进 将可重构技术应用于具体的工程实践使可重构技术得到了新的发展和丰富 下面是几种常用的可重构设计方法 即插即用的嵌入式装置设计方法17,18即插即用的嵌入式装置在设计方法参 考了个人计算机的硬件结构设计了比较通用的硬件平台并提供标准的硬件接口用 于硬件功能模块的扩展针对具体的硬件功能模块设计相应的模块化驱动程序使 用时系统自动检测到硬件模块并为其配置相应的驱动程序实现即插即用 的目 的使用这种方法设计的嵌入式装置很容易实现重构但是其硬件功能模块的设计 必须遵循统一的硬件接口标准而且难以兼容其它接口形式的硬件模块容易造成资 源浪费 可配置的嵌入式装置设计方法19实际上实现硬件模块的重构很大程度上依 赖于相应软件功能模块的重构于是人们从软件可配置的角度研究了可配置的嵌入 式装置设计方法这种方法的思想是软件方面使用独立于专门应用而且能方便 地适应各种接口形式的硬件的中性系统平台从而实现软件模块的重用和分布化 根据各个软件模块与中性系统平台之间实现链接的方法的不同 可以借助lib函数库 借助 obj 目标文件来实现软件模块的重构 在硬件模块信息的登录方面人们给出了基 于脚本的实现方法 12 基于 lib 函数库或 obj 目标文件的可重构实现方法的基本思想是将软件模块设 计成函数形式封装在 lib 函数库中或将其编译成 obj 目标文件在中性系统平台上设 置固定的函数调用通过改变函数的功能来改变或扩展系统的软件功能系统运行 前需要将 lib 函数库或 obj 目标文件与中性系统平台一起编译 连接生成可执行文件 由于中性系统平台依赖于固定的函数调用因而限制了这类方法的灵活性 对可配置的嵌入式装置设计方法的改进为了使软件模块的重构脱离对中性系 统平台的过分依赖如编译连接固定的函数调用等提高软件模块重构的灵活 性可以采用基于脚本和进程函数的软件可重构实现方法基本思想是将所要扩 展的软件模块设计成可执行程序的形式在中性系统平台中通过进程函数调用这些 可执行程序子进程并完成数据通讯从而实现软件模块之间的动态链接脚本 文件用于记录相应硬件模块的配置信息以及扩展程序的信息如程序文件名等 中性系统平台在初始化阶段载入脚本文件的信息使用这种方法中性系统平台和 各个软件扩展模块之间可以实现动态链接而且各软件扩展模块在设计上可以独立 于中性系统平台 2.3.2 测控卡的可重构实现方法 上面介绍了基于脚本和进程函数的可重构实现方法利用这一方法结合测控卡 的硬件特点硬件接口不统一没有统一的设计标准等从软件重构的角度实现测 控卡的重构 图 2-3 测控卡驱动程序重构过程示意图 根据基于脚本和进程函数的可重构设计方法可知要完成测控卡的动态可重构 主控机测控 软件平台 测控 指令 请求 模块 测控 模块 返回测控结果 发送测控指令 返回测控指令 请求测控指令 测控卡驱 动程序 1 测控卡驱 动程序 2 测控卡驱 动程序 n 测控卡基 本配置信 息文件 录入信息现场测控装 置软件平台 软件 平台 核心 管理 模块 软件 接口 指令 辨认 13 需要实现测控卡基本配置信息存储测控卡驱动程序独立设计测控卡驱动程序 动态链接到测控软件平台上 图 2-3 是系统对测控卡驱动程序的识别和操作的运作流 程图从图中可以看出系统对测控卡驱动程序的识别是借助测控卡基本信息配置文 件实现的而对测控卡驱动程序的操作则是通过软件接口实现的下面具体介绍测 控卡驱动程序可重构的实现方法 使用脚本文件存放测控卡基本配置信息在该脚本文件中定义了指令功能 码测控卡编号驱动程序名称控制参数列表等脚本文件由用户根据所使用的 测控卡的操作要求来编辑测控软件平台在初始化阶段载入脚本文件的内容这样 软件平台就可以根据测控卡基本配置信息调用测控卡驱动程序完成测控功能 在软件平台上设置软件接口 通过软件平台上的接口完成对测控卡驱动程序 的调用以及软件平台和驱动程序之间的数据通讯在软件接口中需要约定数据通 讯的格式包括控制参数的格式和驱动程序执行结果的格式软件平台和驱动程序 之间的数据通讯可以借助文件柄来完成 编写规范的测控卡驱动程序用户在编写驱动程序时只需遵循上述软件接 口中约定的数据通讯格式这样既可以从软件平台上获取控制参数又可以将测控 结果回传给软件平台 通过软件接口启动测控卡驱动程序 测控软件平台通过进程函数启动测控卡 驱动程序同时通过进程函数的参数接口完成进程之间的数据通讯 综上用户在编辑好测控卡基本配置信息文件和完成测控卡驱动程序的设计后 测控系统就可以实现对测控卡的操作了同理若要拔除测控卡只需在脚本文件中删 除其脚本信息即可 2.3.3测控装置的可重构实现方法 根据嵌入式可重构远程测控系统的特点为了最大可能的提高系统的可重构性 测控装置在系统级上也应该是可重构的 同样 利用基于脚本和进程函数的软件可重构 设计方法实现底层网络接口程序的重构从而达到测控装置重构的目的 下面给出了底层网络接口程序实现重构的过程如图 2-4 所示图中软件平台 对底层网络接口程序的识别是借助系统配置信息文件实现的而与底层网络接口程 序的动态链接则是通过软件接口实现的底层网络接口程序独立于软件平台设计 可实现与软件平台的动态链接 14 图 2-4 底层网络接口程序重构过程示意图 具体方案如下 由软件平台上的应用层协议控制器约定指令格式完成指令封装和校验应 用层协议控制器是软件平台的核心模块之一它约定了与上位机上相同的指令格式 从而使得测控装置能够识别来自上位机的测控指令上位机测控指令是由具有特定 含义的多个字段构成的要使测控指令可以被识别必须有约定的指令格式需要 按照一定的协议来编写 例如 可以将测控指令封装成 modbus 协议的帧格式 asc 帧或 rtu 帧 20 这样不同的软件平台设计时只需要依据应用层网络协议来处理 上位机测控指令就可以与系统兼容实现可重构 在测控软件平台上设计用于调用底层网络接口程序的软件接口软件平台在 初始化阶段载入编辑了底层网络接口程序基本信息的脚本文件系统配置信息文 件这样通过软件平台上的软件接口就可以完成对底层网络接口程序的调用以及 软件平台和底层网络接口程序之间的数据通讯 设计独立于软件平台的底层网络接口程序底层网络接口程序用于完成基于 各种通讯协议的数据通讯用户可以独立于软件平台编写底层网络接口程序只需 遵循上述软件接口中约定的数据通讯方式这样就可以完成与软件平台之间的双向 数据通讯了 通过软件平台上的软件接口调用底层网络接口程序为测控装置添加所需要 的网络通讯功能在测控装置初始化阶段通过指定底层网络接口程序名软件平台 通过调用子进程的方式实现对底层网络接口程序的动态链接 系 统 配 置 信 息 文件 录入信息 现场测控装置软件平台 软件 平台 核心 管理 模块 软件 接口 底层网络接口程序 1 底层网络接口程序 2 底层网络接口程序 n 测控网络 15 2.4 上位机可重构测控软件的设计方法 嵌入式可重构远程测控系统要求能够实现网上测控资源的重组及协同工作 而这部分的工作是由上位机来完成的因此要求上位机的测控软件能够根据测控任 务的变化可重构上位机测控软件运行在 windows 操作系统之上随着软件技术 的发展实现上位机测控软件可重构可供选择的方法有很多如第一章介绍的虚拟仪 器技术组态软件技术等等下面基于虚拟仪器技术研究上位机可重构测控软件的 设计方法 近年来基于虚拟软件平台的软件设计思想给传统的软件设计思路带来了一场革 命这种软件设计思想将软件系统的核心平台与具体的功能模块相分离两者之间 通过约定的软件接口相互关联 上位机上的测控软件主要完成测控指令的产生和发送并对测控结果进行处理 存储显示等测控指令可以分为两类系统管理指令和测控卡操作指令系统 管理指令用于对测控装置的管理是由设计者指定不可修改的测控卡操作指令用 于对具体测控卡的操作可以由用户编辑为此以 labview 为软件平台扩展了一 系列测控功能子vi供用户组合使用 各个测控功能子 vi主要由封装测控指令的cin 节点处理测控装置回应消息的 cin 节点和网络通讯节点三部分构成 控制端口 封装指令的 c i n 节点 显示端口 处理回应消息 的c i n 节点 网络 通讯 节点 图 2-5 测控功能子 vi 结构图 2.5 嵌入式可重构远程测控系统的总体设计方案 上面分析了嵌入式可重构远程测控系统主要组成要素嵌入式可重构测控 装置和上位机可重构测控软件的设计方法下面从实现远程测控系统的整体功能的 角度研究如何基于以上要素设计一个完整的嵌入式可重构远程测控系统 2.5.1 系统总体结构和工作原理 本系统主要由上位机 现场测控装置以及通讯网络构成 上位机与现场测控装置 16 之间根据测控场合不同可以通过现场总线方式无线方式或其它方式进行数据通 讯33,34,35嵌入式可重构远程测控系统的结构形式根据所使用的测控网络的不同而 不同下图是一种分布式远程测控系统的结构框图 现场测控 装置1 现场测控 装置2 现场测控 装置3 现场测控 装置n 集中或分散的现场测控对象 分布式测控网络 上位机 图 2-6 测控系统的总体结构图 上位机负责系统软硬件资源管理测控任务的分配和调度上位机和测控装置之 间可以依据双方约定的测控指令来工作参见 2.3.3 节系统工作时上位机将测 控指令封装成数据包发送到测控网络上经过一个查询回应周期系统就可以控 制指定的测控装置完成分配的测控任务具体过程如下 上位机产生发送测控指令远程测控系统工作之前必需在测控指令中约定 相应的功能码测控装置地址编号等这样上位机只需按协议将功能码地址编号 等封装成测控指令经通讯模块发送出去即可 测控装置解释执行指令所有测控装置接收到测控指令后首先检测是否 为发往本机的指令然后进行校验接着解释执行指令若校验错误说明测控 指令有错误发生测控装置会将该错误信息反馈给上位机 测控装置返回测控指令执行结果测控指令执行完毕后测控装置将执行结 果如 a/d 采集数据数字输出状态等封装成消息回应给上位机上位机接收到 回应消息后根据功能码决定下一步的动作重发测控指令或存取显示执行结果 等 2.5.2 测控装置的硬件结构 从上述远程测控系统的工作原理可知测控装置主要完成测控指令的接收测 控指令的解释执行以及消息回应等要完成与上位机的数据通讯测控装置必需 17 具备数据通讯能力需要配置数据通讯模块 对现场仪器设备的控制最终归结于对数字信号模拟信号的处理对数字信 号的处理包括直接数字输入和输出 为此需要扩展数字 i/o 电路 由于嵌入式控制器 不能直接处理模拟信号模拟信号需要经过模/数转换后才能由 cpu 来处理同理嵌 入式控制器只有通过数/模转换才能输出模拟量控制信号为此需要扩展数据采集电 路和 d/a转换电路由传感器检测到的现场信号需要经过调理滤波放大等后 才能进行模/数转换为此在数据采集电路的现场需要设计信号调理电路综上给出 以下测控装置的硬件结构模型 图 2-7 测控装置的硬件结构 通讯模块用于完成测控装置与上位机之间的数据通讯根据应用场合的不 同通讯模块可以基于现场总线以太网无线等多种方式来实现 嵌入式控制器嵌入式控制器是测控装置的硬件平台常用的嵌入式控制器 如单片机dsp嵌入式 pc 等其中嵌入式 pc 与标准 pc 完全兼容采用与标 准 pc 相同的硬件结构软件操作系统和软件开发平台理论上能完成与普通 pc 相 同的工作在本系统中采用了嵌入式 pc 中标准化模块化程度最高的 pc104 组件 作为产品硬件开发平台36 各种测量控制模块用于对各种测量信号和控制信号进行处理目前市场 上存在各种标准和非标准的测控器件在可重构的测控系统设计过程中要求各种 不同功能不同接口形式的测控卡在测控软件的支持下实现即插即用的目的 2.5.3 测控装置模块化的软件结构模型 与测控装置模块化的硬件结构相适应采用了一种模块化的测控软件设计方法 通讯模块 嵌入式控制器 d/a转 换模块 数 字 输 入模块 数 据 采 集模块 数 字 输 出模块 18 这种模块化的测控软件可以由用户根据所配置的硬件模块实现动态重组达到可重 构的目的图 2-8 是该测控软件的结构模型 图 2-8 测控装置的模块化软件结构模型 测控装置需要完成的软件功能主要有通讯测控指令的解释和执行 数据采集 直接数字输入输出消息回应等它主要由软件平台测控卡驱动程序和底层网络接 口程序三部分构成所有测控装置上的测控软件平台可以完全相同而测控卡驱动程 序和底层网络接口程序则可以完全不相同可由用户自行配置 测控卡 驱动程 序 1 测控卡 驱动程 序 2 测控卡 驱动程 序 3 测控卡 驱动程 序 n 测控软件平台 系 统 配 置 信息文件 测控卡配置 信息文件 网络接口程序 19 2.6 本章小结 本章从可重构制造系统rms对检测系统的设计要求出发给出了实现检测 系统可重构的嵌入式可重构远程测控系统的概念然后着重讨论了远程测控系统 的可重构实现方法这些方法是对可重构远程测控系统设计方面的有限探索一定 程度上提高了测控系统的开放程度最后给出了嵌入式可重构远程测控系统的总 体设计方案第三章和第四章将基于上述方法设计一个具体的可重构测控系统 包括测控装置和上位机可重构测控软件的具体实现 20 3 测控装置上开放式测控软件的设计 3.1 引言 在上一章论述了测控装置的硬件结构并分析了可重构的测控装置设计方法 在 此基础上给出了测控装置开放式的软件结构模型 本章基于所研究的可重构的测控装置设计方法设计一种运行在 pc104 的 dos 操作系统之上的开放式的测控软件主要设计内容包括测控软件核心部分软 件平台设计底层网络接口程序设计规范确定测控卡驱动程序设计规范确定等 在软件平台部分提供了与底层网络接口程序和测控卡驱动程序的软件接口通过软 件接口实现与两者的动态链接从而实现了测控卡的可重构和测控装置的可重构 3.2 测控软件的功能需求分析 在远程测控系统中测控装置上的底层网络接口不断对测控网络进行监听当 监听到来自上位机的测控指令后首先对测控指令进行校验校验无误后根据指令控 制字对指令进行分类处理例如提取测控卡基本配置信息驱动测控卡对现场仪 器设备实施控制驱动测控卡获取现场测量信号等下面是对测控软件各部分的 功能描述 测控软件平台的功能描述软件平台主要完成测控指令的校验和分类处理 具体实现以下功能通过软件接口调用底层网络接口程序和测控卡驱动程序录入 和管理测控卡基本配置信息对接收到的测控指令进行校验参数辨认等执行测 控指令将指令处理结果封装成消息回应给上位机 底层网络接口程序的功能描述底层网络接口程序由数据接收和数据发送两 部分构成数据接收模块从测控网络上接收测控指令并发送到软件接口上数据发 送模块从软件接口上提取回应消息然后发送到测控网络上 测控卡驱动程序的功能描述主要的