（机械设计及理论专业论文）基于数字实验室概念的多功能测控系统研究.pdf

一。一一 一 塑辇查鲎堡圭堂堡堡茎 摘要 实验在意等教肖孛静重要侔矮键镬备窿葭积极黩避纾实验宣静建竣，数字讫 实验室怒信息时代实验璧建设的主导方向。本课题针对目前实验室中实验设铸的 性能及嶷验设备管理的现状，结合数字实验室檄念，提出了数字化实验摩的建设 方案，并对葵实现徽了饼究，主要工作如下： l 。运过分辑秘归纳数字化实验窒的搬念以及它姻几秽模式，德出数字化实 验室建设的总体方案；参考观场总线，提出了符合实验室网络化要求的 分层总线形网络结构。 2 。数字诧实验室系绞静嫒俜实现。这一嚣分设访了实验室瓣终纯懿关键鲤 成部分多功能主控制器( m f m c ) ，以满足实验设备监控和实验内 容灵活多样的需耍。 3 数字纯实验室系统懿软释嫒诗。这一部分主要链菇多功藐主控铺器 ( m f m c ) 内嵌软件实现和备部分通信的通傣协议的错4 订。运用修正后 的) ( m o d o m 协议实现了分层总线形实验网络的通信。 4 ，设计了盗撩站( 计算祝) 软释，势潋淆动轴承试验台为倒，臻合多功能 主控露8 嚣( 孙重c ) ，对监控站较传迸褥了实践露改进。 5 系统的测试。实验室网络化初步实现以后，对系统进行了测试。 美键遘：数字化实验室实验设签实验室网络化 现或憨线 r s 一2 3 2 c r s 。4 8 5 塑望查兰堡主兰堕望茎。 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h eg r e a tr o l e so f t h el a b o r a t o r yp l a y e di ns c i e n c er e s e a r c hw o r k h a v e m a d eu n i v e r s i t i e sa 舫r dal o tt o l a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a ll a b o r a t o r yi s an e ws t u d y o b j e c t i nf i e l d so f l a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o n u n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc a p a b i l i t ya n dm a n a g e m e n to f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t si nl a b o r a t o r y , t h i sp a p e rb r i n g sf o r t ht h ep r o j e c tt ob u i l da d i g i t a ll a b o r a t o r ys y s t e m ，a n dd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o nm e t h o d si nd e t a i l f o l l o w i n gi s t h em a i nw o k ea b o u tt h ep a p e r ： 1 b ya n a l y z i n g t h ec o n c e p t i o na n dm o d e l so f d i g i t a ll a b o r a t o r y , t h et o t a ll a y o u t d e s i g n a b o u t b u i l d i n g a d i g i t a ll a b o r a t o r y i s g i v e n ；w i t h t h ef i e l db u s t e c h n i q u e s ，t h el a y e r e db u st o p o l o g yi sp u tf o r w a r dt om e e t i n gt h en e e do f n e t w o r kl a b o r a t o r y 2 t h eh a r d w a r eo ft h e d i g i t a ll a b o r a t o r ys y s t e md e s i g n m f m c ( m u l t i p l e f u n c t i o n sm a i nc o n t r o l l e r ) ，t h ek e yo fn e t w o r k l a b o r a t o r y , h a sb e e nd e s i g n e d i nt h i sp a r t ，w h i c hi n s p e c t sa n dc o n t r o l se x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s 3 t h es o f t w a r eo ft h e d i g i t a ll a b o r a t o r ys y s t e md e s i g n t h ed e s i g n o f e m b e d d e ds o f t w a r eo fm f m ca n dt h ec o m m u n i c a t i n gp r o t o c o l sa b o u ta l l c o m m u n i c a t i o n si nd i g i t a ll a b o r a t o r ys y s t e ma r ei n c l u d e di nt h i sp a r tw i t h r e f e r e n e et ox m o d o m p r o t o c o l ，t h e m e t h o do fc o m m u n i c a t i o no ft h e l a y e r e db u st o p o l o g yi sa l s op r o p o s e di nt h i sp a r t 4 t h es o f t w a r ef o rc o m p u t e ri n s p e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gf a c i l i t i e si s d e s i g n e d ， a n dt h es l i d i n gb e a r i n gt e s t b e di sg i v e na ss o f t w a r ed e m o c o m b i n i n gw i t h t h em - f m c ，t h es o f t w a r eh a sb e e np r a c t i c e da n d i m p r o v e d ， 5t e s to ft h ew h o l es y s t e m ，a f t e rc o n s t r u c t i n gt h es y s t e m ，at e s ti st a k e nt o s e c l l r et h er e l i a b i l l t yo f t h ew h o l es y s t e m k e y w o r d ：d i g i t a ll a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a le q u i p m e n t n e t w o r k l a b o r m o r y f i e l db u sr s 一2 3 2 cr s 一4 8 5 儿 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：本章主臻介绍数字化实验熊的概念，以及它的几种表现形式，同时也给出了本谋题的 主要研究内容。 1 1 引言 科学实验是a 们根据一定懿整豹，遂臻套耪仪器没备，模苏现实藏錾然现象 以进行研究的方法。实验大体上包括这榉几个步骤：确定实验目的专j 挂行设计实 验观察实验现蒙专进行必要的数据获取今整理实验数据p 总结规律。如实验不 能满避预麓嫠求，瓣应对实验结暴俸进步韵分耩隧确定产生德差懿原因：若磊 鼹在予实验设计不合理，则煞重毅避行实验设诗，并进行下一轮实验；若是由于 某种原先未知的因索引起，则应对该现象作深入的研究，选又涉及到新实验的设 计。弛图j 1 。 翌篓 _ _ 矍兰竺兰! 竺卜_ 兰! 壅兰卜。_ 翌! 苎竺竺竺 _ tt ll 誊i 厂扩丽磊鬲蕊赫1 玎丽稠j 罄ll 一 一 l 菇|赛验车满是预期簧蠲| 寓b 磊至蔓 臣垂至卜 亟 卜j 察验满是预期要蒜l 一l _ l 一 髫1 1 实验避罄 由此可见，实验是一种知识与能力、理论与实践相结合的活动，其有直观性、 实践性、科研性以及综合性等特点。与课堂讲授相比，实验教学更接近于实际， 嚣容荔宿发釉培养学生的翻掰愚维及实戏糍力。佟为一穆全方位提离学生豢蒺熬 霪要教学环节，实验教学在菇校的教学体系中占有十分重簧的她位。 近年来，实验在高蒋教育中的照要作用己取得戴识，务高校都在积极地的进 行实验室酌建设。倒弛，“2 1 i 工稳”、氆羿锭行贷款项霸都将重点敖在了蜜验基 地戆建设上。男辨，务舞校罄在避褥实验室管理体割的改革，建立数字化实验室 成为实验室建设的主导方向。这些都为拓宽实验内容，提商实验的质攫，为学生 进行实验活动创造了条件。 浙江大学硕士学位论文 1 2 数字化实验室 实验媲予褒察，实黢教学必壤鬟寝理察魅力的培养，让学生渗着强烈鲍好鸯 心和对研究事物的浓厚兴趣去进行观察。实验的实践性强，在实验教学中应注意 实践能力的培养，测量、整理数据都应有学生亲自动手完成，以掌握实验原理和 撩俸麓范。实验豹翳携农予蕊绉藏簿，发凝耪甏，羧黪翡慧结必须窍璎论季筝支持， 所以在实验中必须注意理论茅畦实践的结台，注戆对鞭理论探索的可能憾。萁目的 不仅在于验证理论或加深对理论的理解，更重要的是培养学生的创新能力和应用 理论知识分析解决实际闯邃静链力。 2 l 整纪，鞋多媒髂釉因特网为代表的售息技术，芷以慷人麴速度改变藩人 们的生存方式、工作方式和学习方式。正如江泽民总书记谯“亚太经台组织人力 资源能力建设高蜂会议”上的讲话中指出豹那样：“信息技术的发展，使人们的 举习帮交流豁酸了j 妻去熬薅空赛蓉，为a 类能力的提离魏发撂作耀荣寒了毂麴空 间。”因此，我们必须树立现代教育观念和学习理念，运用信息技术，通过数字 化学习，在新一代人身上塑造未来社会所必需的品格、素养、能力和创新精神， 使袍们能够逐应嚣凝胃雾的数字纯生存环壤。数字键学习静核心是信慧装术与学 辩课程的整会，这是世界教育改革发展的大趋势，也是当前我国素质教育深化发 展的必由之路。 尼葛洛庞蒂在其所著鹩数字化氆界一书审指出：“信怠对代是个数 字讫懿篷爨。宅鸯强摄支柱：一是囊然爨豹一甥售患都霹躅数字表示，二是计算 机只是用数字1 和o 来处理所有数据，三是计冀机处理信息的方法是通过对1 和 0 的数字处理来实现的，四是通过踌空间运送1 和0 把信恩传送到全世界”。社 会歪程发生巨大变革，驮器子到汔褥豹飞跃己楚势不霹挡。因瑟，数字纯实验室 怒信息时代实验室建设的主导方向【8 j 。 2 数字纯实验蹇静概念 数字化察验室是指实验人员在数字化的实验环境中，利用数字化实验资源， 叛数字纯秘方式进行实骚静过程。邋耱实验方式将改变传统实验数学中教帮豹俸 翔和螂生之阗的关系，从丽掇本改变实验教学结构和教育零质。 数字化实验璧就是使用以网络、计算机和多媒体为一体的高科技信息披术。 它是对传统的教育、教学和管理模斌透彳亍的一场数字亿革俞。熬字纯实验室具有 以下三个要絮： 塑坚查兰堡i ：堂堡塑墨 1 ) 数字纯实验环壤 数字纯实验环境经过数字纯储崽楚瓒，其裔绩惑显示多媒褡纯、信惑转输网 络纯、薅惑楚理智麓纯帮实验教学丽境袁熬亿姆褥铤。它镪疆爱藏、资源、平台、 邋讯和工舆。 2 ) 数字纯安验资漾 数字他实验爨源是搬缎邈数字他处璐，霹躲套多媒钵计冀捉上或阚终环境下 逡行秘多媒体实验资源，毹括数字裰频、数字毒颟、多媒体较徉、c d 。r o m 、丽 潞、电子邮件、在线实验管理系统、计算机模拟、在线讨论、数据文件以及数据 霹等等。数字话实验器源燕数字讫实验塞麓关键，它可彀遗过载旖i 秀发、学生截 馋、市场购哭以及网络下载等方式获取。数字化实验资源艇有切合实际、及时可 髂、酉用予雾层次搽究、w 搡缀懿疆、鬻奋翻造靛等特意。 3 ) 数字纯实验方式 数字纯交验方式是搔琴l 翔数字仇平螽麓数字纯资漂，敷辉、学整之闻开震蛰 商讨论、合作学习，并通过对资源的收黛刹用，以搽究知识、发现知识、创造知 识懿及展示知识静方式避行实验教学，暴肖资源利餍、喜爱发臻、协离台俸藕实 跤翅造多转途径。 擞据戳上的阑述，我稻可敬翁蠢数字俊实骚塞的内涵：逶遭髅患毅术与实验 j 窭程有效熬合的途径和方法，建构出一种壤想的实验环境，这种环境可以支持真 蜜的情境铡设、不受对窑黻豁静豢源共事、茯速最活豁落惹获彀、丰褰多样静交 飘方式、打破地域器限的协髂交滤，以及露利于墙券学习堵创造性的嬲主发现和 荫主搽索在藏基磕上就可戬安溪一稀能充分体蠛学生主体 蕈霜蓊全薪实验 囊形式。 1 2 ，2 数字化实验塞的模式 数字化实验搬是开放龅安验璧，它不受地域郦时域的黻制。突验的开放性曹 先是实验塞靛齐蔽，蒋实验塞赛委豹对攀篷开载，建毽们露充势懿魏手攘会；其 次是通过潮络实黼实验鞭学的开敞，莉硝网络所凝肖极强的辐射私信怠传递能力 增热实验豹秀藏穗。罄下我稻分撬雾癌缡鹣鼗字钝实验窒酌尾释实验穰式充分巍 明了数字化实验的开放性。 1 ) 情壤搽究模式 蒲壤缣究模斌遥潮予翘终谖爨数学琊壤，皇甏蠢瑟静揍撬：一是学璺三爨主动 手，擎生遥遵棱器鼹终袋霆蹇在黪实验蜜孛，蕊黎经数字诧楚理嚣黪实验信患； 新江大举硕士学位论文 二是教师演示实验教学，教师在课堂教学藏实骏讲解的时候，以动画或视频的方 式与实验同步或异步的演示实验过程。这种模式需要将实验设备潋某种方式形成 嬲终，若且实验设备组戏的刚络应蠢与铃帮网终的接墨。我们的构想爨以实验类 别为依据，牛巴实验系统分为实验室或实验区，实验室戚实骏区中的实验设备连成 湖络，并以p c 机为与外部网络的接口。蕻中，实验室或实验区中实验设备的组 鼹形式藏龙为重要，壹接影鹃数字纯实验室溃嶷搽究攘式浆实聪，这帮分按术也 鼹数字化化实验室的先进性的体现，同时也影响数字化实验室远程教学模式的实 现过程。为究成这部分工作，我们自主开发了多功能主控制器( m f m c ) ，有关 多功畿主控番l 器( m f m c ) 豹努要佼以及筵详缡豹内容将程瑟瑟豹章节中俸l 鬻 详细的介绍。 2 ) 远程教学模式 避程教学模式适用于因特阏鞠局域嗣，这种模式豹一释方式是剩潮潮络避芎亍 数据传送程处理憨远程察验。学生遴过与鼹络遴蓑黪誊 冀极簸入数握，这些数据 通过网络传送到服务器，服务器对这些数据进行分析； 玎处理，再把这数数字向下 发送到相关实验设备所在的簸控站，控制实验设备工作，褥收集实验数据并通过 潮络传送到学生瓣计雾掇上。在这耱方式下学生逶过绘蠹掇荚静数据戮控铡远在 服务器一端的实验设备，并通过远端设备收集灾验数据，同时还可以利用服务器 提供的数据处理程序来她理数据，获得实际操作实验设备的效果。 另一静方式蔑湿掇仪器实验。在网络教学翡条僻下，傻用盛摇仪器技术冒以 在屏饕上提供绘学生多张专业实验米完成实验。利用计算机技术可以开发出多秽 仪器的软件包，一台计算机就可以构成个完整的实验室设备系统，这样可以节 麴大笔的实验室设备经费的投入。网络教学条俘下，也可戳在照务器端放餮大量 靛实验教学黎要戆攫数仪器软孛包。学生霹敷遗过嬲终来访运黢务器，下载较l 牛 靓进行实验或直接在服务器提供的实验交叉界颟上谶行实验。 3 ) 虚拟w e b 实验蹩模式 篓子w e b 撼虚按实验室辩在w e b 中翻建遗磷铙馥翁三缝灞境，其中每个 可视化的三维物体代表一静实验对蒙。用户可以利用系统掇供的交互手段对这些 三维物体进行操作。虚拟实验环境可以针对不同的实验科翻分别设计舆体的实验 环境。虚拟实验环境要最有如下的萋本功能：完全基于w e b ；三维静立体 坯境：县器可裁化的实验对象；尽户可以掇乍实验对象。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容 奁数字化实验垮壤下，霹良襄媛多耪实验设备骢功能，开爱纛拯饺器软件包 和创建虚拟实验环境，阕时还可以增由实黢数据处理摸块、实验帮助攒块、学生 与教师、学生与学生之间的交爱杭铺，如增加预习系统、实验教举鞴韵系统、实 验糖秘系缎，实验讨论系统、效栗濑译系统等，叛完善鼗字毒乏塞骏室麓形式。 本误憨变要针对基懿嶷验塞实骏设备瞧能及设备管理的现妖，结台蟊前正在 快速发展的现场总线技术，对窑验窒数字化的具体问题进行了研究。本文熏耍讨 论数字亿窳验窒网络梅戚和实验设备数字纯改建谶程串涉投酶技术、方法裙理 论，嚣主要谗论数字爨：实黢塞壤景攘交模式的爨转灾验过程。主嚣工作如下： i ) 数字亿实黢室系统的技术分祈和辩体方案的设计。讨论犟霸分桥了瓣络拓 乎卜，并给斑了零谍题驰两络拓卦；玩较了工她控铷领域中常潮智熊设备 豹联鼹方式窳数控裁系绞帮域壤惑竣羧糕系统，并避撵遗台予零漂 题的联弼方式；瓣实验设备数字化改造的关键一一多功能主控制嚣 m f m c ( m u l t i p l ef u n c t i o n sm a i nc o n t r o l l e r ) 的功能需求进行了具体分析。 这一帮分褥在零文戆舞二耄痒吴俸奔韬。 2 ) 多璐毙圭控剑爨m f m c 软硬终实域的研襄。遮帮努燕零谍题磅究工佧 的燕点所在，对多功熊主控制器浆各功能的实现俸了具体研究，并对硬 件可靠性设讦翻软件可靠饺设计律了实践缣索。遮一部分将在奉文的第 三霉、雾爨章黎第驻露 每爨俸穷缁。 3 ) 监控站( 上位机) 的敬律设计。稳部分童瑟涉及上下饺枕之闽的通信 协议翔题、程弱因特瀚或妫域网的多爨体釉数据瘁豹转送闽题和监控软 件游设计瀚疆。这舒势姆在第六擎穆爨髂介绍。 4 ) 数字诧实验室蓉翁熬集成帮调试，在卿络系统各髑酆功能实现压，进行 系统的集成和螫体调试，解决系统中存在的问题。这一部分将在第七章 擘爨俘夯缨。 。4 小绪 本搴赍缨了窳验在褰等教学中的重螫 乍熙，介绍分扳了数字化实骏室的模式 隧及实现方法，褥出数字化实验童的三萃l 模式： 情境搽究模式； 邈疆彀攀模式； 浙江大举硕士学位论文 为； 纛撅w e b 实验塞模式。 在本章豹最磁，撮辫数字纯实验室韵建设嚣稼泠岔了零漾戆豹主要研究内容 分析和设计数字化实验室黻统的总体方寨； 多功能主控稍嚣m f m c 较硬俘实糯豁研究； 蕊控站( 计算撬) 载敬磐设诗； 数字仡安验室系统的集成和调试。 舂 新江大学硕士学位论文 第二章数字化实验室总体方案设计 摘要：本意主茧介缨数字化矮验室的总体方案设计，着燕介绍了总体方案甲踺终分类种分层， 在比较常见网路拓扑的基_ i f | j 上，提出分屡总线形网络结构，分析了在本系统运用现场总线思 想於可行憧，进掰势析了蠕厢多韵能主筏制器( m f m c ) 静必要健鞋授它磅艇需求。 21引言 数字化实验是集电子技术、网络、计算机和多媒体为体的黼科技信息投术。 数字化实验室以嗣络为罄础和纽带，脱离鲴络的数字化实验室不可能是真正的数 掌亿实验室。 在实验宣的嘲络化过程中，实驶设备是网络系统的主体。作为物理实体，各 种实验设备的实验目的备不相同，甚体构造也村很大差别。僵蔗从实验韵率质来 餐，所有实验过程均可视为一种信息获戢帮娃理的过耀。始扶譬息蠛动扮躞囊出 发而撇开实验设备的具体构造，就可以根据各种实验设备间存在的共性问题建立 它们之间的相互联系，实现实验设备的联翮。 2 2 实验系统阙络拓扑缩构分析 出于各蜜验堂或试验区裙对分敞，每个实验枣或试验西的性质( 如实验主题、 实验设备的个体差异等) 有很大的不同。我们联网的基本目标是把各个实验室或 试验毯组成一个丈两络，各个实验窆或试验区申麴每个实验设备都必须酷直接或 阕接鲍形式成为刚络中的一个节点，进行网上实验、网上突验教学等，从而以这 蝗方式缄从这一菇面上体现数字化实验童的开放性。从实验室联网的基本目标和 实验室的格届土帮班看出实验室网络牢存在蓉不同性质熬弼段，基于鞋上麴特 上镕目络p h 界线 底胺网络卜 圉2 1 实验鑫系统分层网络鳍构 杰，我怕把安验窒网络分夯实验室或试验区之闽豹弼络和实验室戚试验区内部的 塑竖查登璧熹兰堡塑塞 溺络，并分澍稼之为上藤器底瑟秘络。上瑟瓣终跫逶遮因特弼蘩两域鬻构藏鹣鲁 熬控懿( 计箨枫) 瓣致鞭镶嬲络；褥底屡潮终主癸爨囊实验室竣套阉的联粼。翦 蠢将程第六拳中燕黻谖臻。零牵主要对残爱阏终静搦藏速萼亍分辫。漫2 ，l 实验室 系统分瑟嘲络结构。 2 2 1 常用的网络拓辛| 、结构分析 溺貉的嚣蚤兹稳是臻灏缀孛节点静要滚彩箴。裙羹靛搽羚缝籀骞鼙形，环缮、 憨线形等l l l 】 2 避登】拉舶。瀚2 2 所承为星形、环形帮惑线鳌籀挣结构。 a ) 星形网络b ) 总线形榭络c ) 环形网络 强2 2 翥羹描静缩擒 璧形撼羚中，避常怒黻纂一个中继嚣( 妇讯粥) 为中心两多 扩展的，罐一个 端口号所构成的嘲段只能接一部分网络设罄。它的忧点是：若嘲络的桀一段有问 鼷时，不会影嫡鳓其它的糯段；可豁透过中继器寐分袄、管理簿令璃蔽，藏豫霞 终管理敬爱担。谜它的缺点悬醚豢网络中端口号的增挑组阁的费用也增加，如果 端口弩很多的话，这将惫翁不小的授燮。 环形拓羚中，瓣络中国诲多啐，缝器逡嚣点赢链鼹连接，麴袋一个封翅繇鼹。 中继嚣疆蹙蓠驱潞发来的鼗撵，然薅接联采静遮瘦一毽一镶邃获冀一条链潞发送 出去，链路是单向的，数据沿着个方向( 顺时钟或逆时针) 在网上环行。每个 工锋辩透过串缝器再连至鼹终。矫形莛乎 靛鼹貉设餐是鬣肇蘸孛燃器，工作站蓑 夔提供数撼的拆包和存取，控制逻辑较复杂。环形拓扑的数据传输时间最大值可 以鬏絮，嚣霉睦爨夫，织哥嚣槛不襄，装王佟蟋静失效会捷熬个瓣络藏疾。 慧线篷拓羚中，转赣奔痰是一条总线，王佟涎邋过超巍硬终接麓接至慧线上。 令懿发邀数摆，掰有篡它站郝熊接收。惑线拓羚黝砖簸介质猿侈多点式姨广播 斌。因为所有的节点荚窜一条传输连路，次只能允许一个站发邀信息，潘要菜 转毒繇控铡方式慕穗定下一令可越发送黔站。罄缱型挺势囊线方袋，工作站接a 简单，可靠往高，但是数据传输时延不确定，当工伟站较多时，时延较大。 嚣 浙江大举硕士学位论文 2 2 2 实验室底层网络的构成 从以上的分析可以麓出，囊接浆用常用的拓扑结构( 如星形拓扑、环形拓扑 和总线型拓扑等) 组建实验室网络，即将各实验设备作为网络拓扑中的节点随接 攘联弱被法不能合理豹实瑗实验室驳两的摹本魏振 由予实骏设备以单片机为控制核心，实验设备的器种操作都是在单片机的控 制下进行的，如果采用璧形或环形拓扑，则要求设备的控制核心在完成相应的实 验控割经务熬竭霹还要必绠竞或大慧戆逶僖控刿甚务，这鸯霹能超过攀冀撬的受 旖能力，尤其是在屋形拓扑中，中继器因管理的端口过多而使它的负担非常的沉 羹；另一方面，在采用环形拓扑结构时，嗣络中的任何个实验没备的故障都会 逡或霹络黪矮溃，这对实验室耀络瑟言是不台避约。袋爆愍线攘羚可以避免以上 环形拓扑网络的缺点：某一设备的故障对其他设备没褥影响，并且设备联网简单。 值是总线拓扑鸸络也有玄的缺点：蜜时经较差。当实验设备较多时，翔果监控站 终为中继嚣慰， 把下一层的数据( 包括多功能主控制器自身测试控能模块的数据和信息) 和信息 送给上一层的多功能主禳箭器，这样层蘑往上送，煮至箍攘站( 计算祝) 进行数 据处毽或送入与底层网终不同形态的上鼷阚络中，同时也把监接站( 计冀枞) 或 上一层的数据和信息转传送给下一层，这也是实验室网络系统的一个主要思想， 即实验富的阏络系统是一个数字式、双向传输，多分支结构豹遥信两络。奁没有 浆控蟪( 诗冀撬) 或由予窒阕等因豢不方便使用计算规寒俘为数控站时，多功能 主控制器( m f m c ) 也可作为独立监控器，完垒的接收管瑷它所辖的实验窒底层 潮络，处理所辖实验议绒下级多功能主控镧器传送绘它的数磊积信息。在某些耨 殊的场合，刹咫它体积小的优势也可以代耱作为智能试验仪接入网络皴 乍为独立 的测试仪。 采瘸分滔的总线形阐络缩构有豁下伉点： 实时性好。由予监按站只耱谗几个控制单元，控凿i 单元也只论询为数不多的 予网设备( 最大3 2 个予网设铸) ，n 此，这种网络结构相对于监控站论询所有的 瑗溺设备韵总线拓扑结梅来说，其实霹谯寄缀丈鹊懿离； 网络毒线更镩单。如图2 3 所示，监控站( 计算机) 通过总线只与几个主控 制器( m f m c ) 逡接，m f m c 与实验设餐距离近，连接方便。 爵靠缝好。采嗣分蘑结构，每一层惑线上鲍设备羧较少，逢接臻点少，蓉线 上发生故障的机率减少，增加了可靠性； 台监控站可控制设备数目多。由于驱动能力的因素，每种总线上可挂接 静设备数是程疆静。铡翔r s 一4 8 5 蕊线土最多霹挂3 2 令设餐。慕溺分攫结孛奄，每 一层最大可挂接的设备数不变，可挂接的设备总数增多。 t 0 塑垩奎兰婴主兰些堡苎 分层的总线形网络具体的连接过程如下：监控站( 计算机) 通过r s 2 3 2 总 线与多个控制单元组成第一层网络，计算机作为监控站采用轮询( p o l l i n g ) 的方 式对主控带4 器进行监控，监控站是主站( m a s t e r ) ，主控制器是从站( s l a v e ) ：主 控制器与实验设备组成网络的第n 层( 每层称作通信子网) ，在这一层中，主 控制器是主站，对子网中的设备进行监控，实验设备是从站( s l a v e ) 。控制单元 与子网设备通过现场总线，以轮询( p o l l i n g ) 方式进行通信。相对于监控站，主控 制器是从设备，相对子网中的设备，主控制器又是主站( 称之为s u bm a s t e r ) 。 2 2 3 主控制器功能分析 很多实验设各均内嵌了以单片机为核心的测控，可根据命令执行相关的操作 ( 如数据采集、显示、状态检查等) ：可通过通信接口( r s 2 3 2 或r $ 4 8 5 接口) 与其他设备进行数据交换等等。如何利用这些共性点，利用网络技术构建合适的 网络系统是实验室网络化应考虑的主要问题。 如图2 3 所示，分层的总线形实验室网络系统中，引入了自主开发的、专门 实验室分层网络结构设计的多功能主控制器( m f m c ) 。它是分层的总线形网络 结构的核心，是联系监控站( 计算机) 和实验设备的纽带，是上层网络和底层网 络相互联系的桥梁。 既然主控制器担负如此重大的任务，那么它应该具有那些功能呢? 应该是一 个什么样的形态呢? 接下来我们来具体讨论这些问题。 首先，一方面，主控制器作为从站接收监控站( 计算机) 命令，并根据命令 执行相关的操作；另一方，主控制器又作为主站监控子网内的实验设备，并将实 验设备送来的实验数据送往主站。另外，考虑到实验内容灵活多样，例如实验中 常常需要进行模拟信号的采样，脉冲信号的计数及相位测量、信号输出等多种需 求。控制单元还应具有模拟信号采样，脉冲信号的计数及相位测量、信号输出等 功能，并且可以根据实验的需求方便的进行功能的扩充。 其次，从可靠性方面考虑，当计算机失去对子网内的设备的监控时，通过人 机交互接口( 入键盘、显示) ，操作人员通过控制单元监控子网内的实验设备， 即子网具有相对的独立性。 由于控制单元集多种功能于一身，因此我们称之为多功能主控制器 m f m c ( m u l t i p l e f u n c t i o n sm a i nc o n t r o l l e r ) 。 总结以上需求，m f m c 应具有以下功能： 具有和计算机通信能力，实现和计算机的数据交换。 具有和实验设备通信能力，实现和多个实验设备进行数据交换。 多种信号的输入输出和处理：如模拟信号的采样、脉冲信号计数及相位 测量、信号输出，并且有方便的扩充性。 塑垩奎兰婴圭兰堡笙苎 具有独立的工作能力，在失去计算机控制时，可通过人机交互接口在指 令控制下实现对子网设备的控制。 2 3 现场总线技术简介及模式选择 根据国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 和美国仪 表协会( i n s m u n e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ) 标准的定义：现成总线是连接现场智能 设备和自动化系统的数字式、双向传输，多分支结构的通信网络【1 2 。从这个 定义看，我们实验室系统的底层网络的主导思想与现场总线的核心思想非常吻 合，那么有没有可能将现场总线的思想应用在我们的实验室系统中呢，接下来我 们就针对这一问题作分析和讨论。 2 3 1 现成总线技术简介及在实验室网络系统中应用的可行性分析 现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下 几项技术特征【1 3 l 【1 4 】【1 5 】。 1 场设备已成为以微处理器为核心的数字化设各，彼此通过一对传输线( 双 绞线、同轴电缆或光纤) 相连； 2 网络数据通信采用基带传输( 即数字数据数字传输) ，数据传输速率高( 为 m b i t s 或l o m b i t s 级) ，实时性好，抗干扰能力强； 3 弃了集散控制系统( d c s ) 中的i o 控制站，将这一级功能分配给通信 网络完成； 图2 4 现场总线控制系统结构图 4 分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性 塑翌查兰婴主兰垒堡苎 5 开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制 级网络或管理信息级网络相连； 6 互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产 品统一组态，构成所需要的网络。 现场总线控制系统的结构如图2 4 所示。 现场总线通信协议基本遵照i s o o s l 参考模型，主要实现其中的第l 、2 、7 层功能j ，即物理层、数据链路层和应用层。 上述现成总线的技术特征充分体现了现成总线思想以及它在工业应用中的 优势。在实验室网络系统中，自主开发的多功能主控制器的引入使得在它中应用 现成总线技术思想成为可能。多功能主控制器( m f m c ) 具有模拟信号和脉冲信 号的测试能力，在一些具有非标准数字式设备的场合，它可以作为这些设备的前 导，从而把这些设备改造成为数字式设备；多功能主控制器( m f m c ) 的中继器 功能使得上下层之间的数据双向传输交得简单，由于中继功能是通过串口通信实 现的，所以具有较高的数据双向传输速度；多功能主控制器( m f m c ) 的监控功 能使得功能模块的分散管理更容易实现，而它与中继功能相配合，就可以实现开 放式互连结构；多功能主控制器( m f m c ) 的集成乐多种通信协议，上下层之间 的通信用统一的通信协议，所以即使智能试验仪的通信协议各不相同，通过多功 能主控制器的解释，都能统到同一种协议上来。从以上的论述我们可以看到， 多功能主控制器( m f m c ) 的功能特点完全是针对现场总线的特点的，这也是我 们自主开发多功能主控制器( m f m c ) 的主要目标。 2 3 2 现场总线的选择 现场总线具有节省硬件数量、投资和安装费用，用户具有高度的系统集成主 动权，系统准确可靠等优点，基于现场总线组建实验室网络系统不但可以降低费 用，而且安装、维护简便，技术上也有一定的先进性。和工业中的现场控制设备 网络相比，实验室网络系统具有以下不同点： 首先，实验设备以完成某一实验功能为目的，几乎不需要同级实验设备之间 的通信，主要的通信要求是上位机和各下级实验设备间的数据传送。 其次，实验设备是为某一实验内容而制造的，由于实验的探索性和创新性， 实验内容种类繁多，市场中比较难买到同时符合实验内容和现场总线标准的实验 设备。 第三，目前，很多高校都根据实验的需求自主开发一些实验设备，它们大多 数是以单片机为控制核心。通过自定义的通信协议与计算机进行通信，通信协议 难以符合现场总线标准通信协议。 考虑到现场总线技术的优点和实验室的具体情况，我们的实验室网络系统采 一一一一塑坚丕兰堡主兰些丝苎 用现场总线的形式，通信协议的物理层采用e i a r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线协议，数据 链路协议和应用层协议参照i s o 模型及现场总线协议标准进行定义，组建经济实 用型实验室底层网络。 r s - 2 3 2 c 是1 9 6 9 年由e i a 公布的串行通信接口，是目前使用最广泛的串行 通信接口标准。它采用非平衡型信号传输方式，所有信号回路公用一根地线，用 于最远传输距离1 5 m ，最高速率2 0 k p s 的串行二进制数据交换l 】7 】f j 8 】。 r s 一2 3 2 c 存在一些不足，可以归纳如下：数据传输距离限于1 5 m ；该标准没 有规定连接器，因而产生2 5 针、9 针等设计方案，这些方案有时互不兼容；每 个接口的发送方和接收方公用个信号地，使用不平衡的发送接收方式，容易产 生共模于扰，这也是r s - 2 3 2 c 传输距离不能过长的原因。 为了解决这些问题，e i a 在1 9 7 7 年制定了新标准r s 4 9 9 ，以达到下目标： 支持较高的数据传输速率和较远的传输距离；制定连接器的技术规范；通过提供 平衡电路改进接口电气特性。 e i a 的r s 一4 9 9 标准定义了r s 一2 3 2 c 中所没有的1 0 种电路功能，规定了3 7 脚的连接器。r s - 4 2 2 是r s 一4 9 9 标准的子集，而目前广泛应用的r s 4 8 5 串行总 线接口是r - s - 4 2 2 的变形。r s 一4 8 5 与r s - 4 2 2 的不同之处在于：r s 4 2 2 是全双工 的，而r s 4 8 5 是半双工的；r s - 4 2 2 采用两对平衡差分信号线，r s 4 8 5 只需要 其中的一对差分信号线。r s 一4 8 5 对于多站互连是十分方便的m 。 在r s 4 8 5 互连时，某一时刻只有一个站可以发送数据，而其他站只能接收， 因此，它的发送电路必须由使能端加以控制。它采用“平衡差动式”数据传输特 性，通过驱动器把电平转换为电位差，通过传输线将电位差信号传送到接收器， 接收器再将电位差转换成逻辑电平。r s 4 8 5 允许在同一对传输线上最多带3 2 个 驱动器和接收器，其传输速率最大位1 0 m b p s ，通信距离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 具 有抑制共模干扰的能力，其接收器具有高灵敏度，能检测低达2 0 0 m y 的输入信 号，可以高速远距离传输，同时可以节省大量的信号线，用于多站互连十分方便， 因而许多智能仪表、p l c 等配有r s 4 8 5 总线接口。 2 4 小结 本章设计了数字化实验室系统的总体方案，把数字化实验室网络分为上层网 络和低层网络，在分析比较数字化实验室的底层网络的特性和常见网络拓扑基础 上提出了分层的总线形网络结构，并把它运用与数字化实验室的底层网络。同时 得出现成总线与我们自主开发的多功能主控制器( m f m c ) 相结合运用在数字化 实验室的优势： 数字数据数字传输，数据传输速率高； 浙江大学硕士学位论文 具有可分散性，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性： 开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设各与控制 级网络或管理信息级网络相连； 互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产 品统一组态，构成所需要的网络。 浙江大学硕士学位论文 第三章基于m c s - 5 1 的主控制器的硬件实现 摘要：本章主要介绍多功能主控制器硬件的其体实现方案以及采用这些方案的原因。在本章 的开头，根据多功能主控制器的功能需求，对它的整体实现方案进行乐分析，后续介绍了多 功能主控制器( m f m c ) 的各功能模块的实现过程。此外，在本章的最后还介绍了硬件上采 取的抗干扰措施。 3 1引言 多功能主控制器( m f m c ) 是实现实验室设备联网的关键部件，在设备联网 中起着重要的作用，根据第二章的分析，它应具有：( 1 ) 与计算机通息的通讯能 力；( 2 ) 与实验设备通信，实现与多个实验设备进行数据交换的能力：( 3 ) 独立 的测试功能，在无其它任何设备的情况下，也能完成对多种信号的测试；( 4 ) 通 过自带的人机交互接口，能够对多种实验设备进行监控。上述m f m c 有多种实 现方式，本章将对基于m c s 5 1 系列单片机的多功能主控制器的硬件实现进行讨 论。 3 2 主控制器的总体结构设计 m f m c 的功能实现方案可分为：单个c p u 实现在一块电路板上实现、由多 个c p u 在一块电路板上实现、由多个c p u 在多个电路板上实现等。m f m c 的 功能较多，下面对这些方案在m f m c 上运用的作一权衡： 1 ) 所有功能集成在一块电路板上，由个或多个c p u 实现所有功能；这种 方案电路板集成度高，资源利用率高，附加设计少，但对电路板的设计 要求较高。 2 ) 将m f m c 划分成几个模板，各个模板由不同的c p u 实现，各个模板之 间采用某一种总线通讯。这种方案增加了电路板，使得单个电路板的设 计变得简单，而且扩展能力比较强，扩展方式更加灵活，但是各个模板 之间的通讯成为一个非常主要的问题，往往需要选择一种板级总线来完 成，随之就带来总线隔离、总线驱动、总线仲裁等问题，因此这部分与 m f m c 的功能没有直接联系的附加设计也就成为了非常关键的设计内 容，使得m f m c 的设计变得复杂，可靠性也随之降低，而且需要付出很 。塑坚查堂璧墨三兰堡鲎苎 大麓势簌终餐滚滚。 基予戮上躬考虑，m f m c 袋爱嚣静方式。又港子我熟莱爱技术拔熬，霹靠 经窿豹m c s 一5 1 系戴举片秘寒捧蠹m f m c 戆m c u ，蔼一令5 i 擎冀掇不爱 较好的实现扩煨m f m c 功能的需求，所以采用两个c p u 的方式采实砚多功 能主较锈嚣m f i v l c 。冀一方藤，聚麓鞭c p u 受容曩实瑗善功自摸袭麴分誊 和缀合，增期了多功g 主控制嚣( m f m c ) 应用时的激活性，用户可以根据 不阐豹使孺祷躐采鬻多功熊主控靠l 器( 氧程麓c 静不鞫豹珐熊模袋组台。麸 第二肇对多功能主控制嚣豹功熊需求分析w 褥，多功能主控翻糕应其裔戳下 萋零模块：攘攘售警斑毽貘袋、驻洚僖考疑理模袭、键鑫显示摸浚、遴售模 块簿。图3 1 为多功能主控制器( m f m c ) 的总体结构框图图。 臣 r _ 爿竺l 孙，b * a - d 睁 毒= = = 嗣p u l s es l 啭l ! 竺睁 l t a i n ，1 p n 、s u b 1 1 2 c2 4 c 6 4 c p l lr 叫c p l 孛刮 lc 。1 i _ 。 k 。一 i 勰麟 i r b 2 3 2 c 连毒 毒翻辩e 黠j r t e r 毽3 ，1l v l f m c 总体籀构 两c p u 之间通过弗阴三线簿簪通讯，主c p u 管瑗键擞、l e d 、r a 瓤倍号灯 等，它数露嚣经过m 强x 2 3 2 与诗募糖( 上捷爨) 帮下篷撬皴蕊线形式甥连接。 从c p u 有独立的脉冲信号处穗模块，1 2 c 总线的串行a d 楱抉，也有独立的 k d 显零嬲擞型打印搂浃，劳耗各商1 2 c 熬e e p r o m 。 这稀双c p u 的融合，使褥我们能够褥铡不阕鹩廒蘑翅念，氍可敷 乍巍单独煞 溅搂搜嚣，又可戥终冀离位撬帮 氐位规敬联终器。 系统中各个模块之间相艇独立，用户可以根粥自己的黉求随意组合。例如作 为袋终爨麓精笾黧蘧套( m a i nc p u 、s i g n a ll e d l c d 、k e y b o a r d 、r s 2 3 2 ) ， 筝 隽模李薤镶号处理嚣鼓缝合( m a i nc p u 、s u bc p u 、k e y b o a r d 、l e d l c d 、l c a d 、 f m i c r op r i n t e r 、 r s 2 3 2 、【s i g n a ll e d ) 等。 3 。3 圭从拶u 邋信 主从c p u 备负羹聱遵自己掰属的功能模决，它们之间豹通信廷连接不蔺 c p u 豹功髓模块懿唯一遮强，麓能模块之霹熬滚僚器簧鸯较强鹣实瓣煎，基子 一塑婆一查兰堡主兰焦丝苎 此考虑，我们采用并口通信来实现主从c p u 之间的通信，来保证主从c p u 各模 块之间协调的实时性。 主从c p u 之间的并行通信通过复用p o 臼来实现的，图3 2 中，i q rt os u b 和i q r _ t o m a i n 两个信号线分别是主c p u 向从c p u 发出接收数据的请求和从 c p u 向主c p u 发出接收数据请求的信号线，d a v 、n r f d 、n d a c 是三线握手 信号。 卜 p 0 p o i q rt os u b m a i ni o r 协h 】nm a l n c p u c p u d “ n r f d n d f 图3 2 主从c p u 通讯方式 当某个c p u 接收到接收数据的请求信号后( 当信号i q rt os u b 或 i q r _ t o m a i n 为低电平0 时，i q 翼m s u b 的优先级高于i q 对o m a i n ) ，此c p u 进入准备接收数据