【正文】 論文原創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)說明 66致 謝 67附 錄 68千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論 引言測量是人類認(rèn)識現(xiàn)實世界的途徑，控制是人改造現(xiàn)實世界的手段。上世紀(jì)中后期誕生了以電子計算機為主導(dǎo)的包括數(shù)字信號處理、自動控制理論在內(nèi)的一批新興學(xué)科，隨著數(shù)字化信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類快速步入數(shù)字化時代。作為溝通現(xiàn)實世界與數(shù)字世界的橋梁，測量與控制得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，測控儀器也一直是相關(guān)領(lǐng)域科研人員的研究熱點[3]。在不斷發(fā)展的軍事科技和不斷增長的工業(yè)需求的推動下，計算機、微電子、自動化和通信技術(shù)等領(lǐng)域成果豐碩，這對測控系統(tǒng)實現(xiàn)功能多樣化與性能的提升提供了強有力的支持。 測量技術(shù)發(fā)展概述隨著測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，測量儀器儀表得到了快速的發(fā)展[6]，近代測量儀器大致經(jīng)歷了如圖11所示的幾個發(fā)展階段[1][2][4]。圖1 1測量儀器發(fā)展歷程示意圖模擬化儀器，儀器儀表內(nèi)的實現(xiàn)原理均基于模擬電子技術(shù)與理論，形式固定，升級成本高，使用不便，已經(jīng)逐漸被淘汰。數(shù)字化儀器，基于數(shù)字電子技術(shù)，對外部的模擬信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后，其后續(xù)的傳輸、處理均以數(shù)字方式進(jìn)行，不僅提高了測量的快速性，而且功能多樣，測量儀器的數(shù)字化是發(fā)展智能化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化的前提和基礎(chǔ)。智能化儀器，測量儀器儀表的智能化即所謂的嵌入式系統(tǒng)的一種應(yīng)用，內(nèi)嵌的微控制器與儀器融為一體，可以實現(xiàn)較好的人機交互，擁有靈活的測量控制，能自主完成測試任務(wù)，功能多樣、使用方便，應(yīng)用廣泛，是當(dāng)前電子測量儀表的[1][5]。專用儀表，將所需要的測試功能設(shè)計成電路卡，然后通過計算機主板上的相關(guān)接口與之相連，構(gòu)成一個基于PC的專用測量儀器，不僅結(jié)合了通用接口總線和智能化測量的優(yōu)勢，同時還能充分利用PC強大的數(shù)據(jù)處理[7]。，實際上是一個形式靈活的結(jié)構(gòu)，將軟件與硬件進(jìn)行緊密結(jié)合，通過計算機控制硬件的測控模塊，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后根據(jù)用戶定義的測控功能進(jìn)行后續(xù)處理，實現(xiàn)了測量儀表的虛擬化，充分體現(xiàn)了“”的思想。虛擬儀器技術(shù)能快速將計算機技術(shù)與儀表技術(shù)的最新成果轉(zhuǎn)化為儀器性能的提升[7][8]，利用模塊化的測試硬件實現(xiàn)功能多樣、使用方便、兼容性強的信號測量與控制系統(tǒng)[10][11]，在儀器儀表發(fā)展史上具有里程碑式的意義。虛擬儀器系統(tǒng)主要包括三大部分：測控功能軟件，高性能的模塊化硬件和集成協(xié)調(diào)軟硬件功能的平臺[12]。虛擬儀器的功能擴展與更新成本較低，業(yè)界領(lǐng)先的NI公司的虛擬儀器軟件平臺的接口已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)，可以輕松實現(xiàn)多個測量功能的單機集成。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀表，電子通信、傳感器、信號處理、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線等技術(shù)不斷取得的新成果很快應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中，虛擬儀器技術(shù)融合網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)就形成了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)[9]。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，將各個功能組塊分布到不同的網(wǎng)絡(luò)物理位置實現(xiàn)遠(yuǎn)距離互聯(lián)，系統(tǒng)搭建靈活，在線儀器數(shù)基本不受限制，共享網(wǎng)內(nèi)資源[17]，可以通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫完成測控數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程處理與存儲[14]，單系統(tǒng)實現(xiàn)多信號的可控化測量、處理與結(jié)果表現(xiàn)，極大地降低了系統(tǒng)搭建、運行、維護成本。美國國家儀器公司是專業(yè)從事的信號采集、調(diào)理與運動控制領(lǐng)域軟硬件研發(fā)企業(yè)，上世紀(jì)八十年代提出的虛擬儀器概念引起了[8]， 其技術(shù)在業(yè)內(nèi)一直保持國際領(lǐng)先水平。其產(chǎn)品可以針對不同的工程應(yīng)用方向提供各種類型的測控模塊以及配套的硬件驅(qū)動，同時其開發(fā)的LabVIEW可以很方便的搭建儀器的虛擬操作界面，LabWindows/CVI還提供對自主開發(fā)硬件的驅(qū)動設(shè)計接口，只需要小范圍更換專用的硬件數(shù)據(jù)采集、運動控制模塊卡就可以實現(xiàn)功能的多樣化。同時其虛擬儀器產(chǎn)品也融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，很成功的踐行了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念。另外美國的HP、Tektronic和安捷倫等公司等在網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器方面都有自己的成功之處。遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)化在線測量與控制已經(jīng)得到多樣化的實現(xiàn)，測控系統(tǒng)逐步走向。測量儀器儀表的虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為現(xiàn)代儀器科學(xué)的發(fā)展趨勢，今后的測量儀器將可以簡單通過一公式以概之——“儀器” 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析現(xiàn)代控制系統(tǒng)在歷經(jīng)了集散控制、現(xiàn)場總線控制階段后正逐步走向網(wǎng)絡(luò)化控制，其中通過以太網(wǎng)實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)以其無與倫比的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、協(xié)議支持的廣泛性、對工業(yè)現(xiàn)場的適應(yīng)性和高可靠性已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用[13]。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)必將有更廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)階段完全的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)障礙是網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的不確定性，主要的解決途徑有改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，改進(jìn)通信協(xié)議和建立包含延遲的等方法[15][16]，但是都沒有從根本上解決實時性問題。嵌入式控制系統(tǒng)可以很好的克服網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實時性障礙。嵌入式控制系統(tǒng)是以應(yīng)用為導(dǎo)向，基于計算機技術(shù)的，功能架構(gòu)的，可以適應(yīng)高可靠性、低成本、低功耗、小尺寸等多方面需求的，集軟硬件于一體的靈活系統(tǒng)[18]。嵌入式控制系統(tǒng)的本質(zhì)是將控制環(huán)節(jié)與被控對象體系結(jié)構(gòu)融為一體，與傳統(tǒng)控制體系不盡相同，嵌入式控制系統(tǒng)強調(diào)的是與受控對象的緊密聯(lián)系性，要求控制的智能化、可靠性、安全性?，F(xiàn)今的發(fā)展主要有以下方向和趨勢：更強大的網(wǎng)絡(luò)通信，更便捷的人機交互，更低功耗，更小尺寸[19][46]。嵌入式控制系統(tǒng)可以很好的克服網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實時性障礙，但是又缺乏與外界進(jìn)行安全高速數(shù)據(jù)交互的能力，本課題尋求了另外一種折中的解決方法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)之所長，實現(xiàn)了擁有網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互特點和嵌入式控制系統(tǒng)高實時性特點的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式控制系統(tǒng)。 課題來源及主要內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)化已成為當(dāng)今測量與控制領(lǐng)域的共同發(fā)展趨勢，隨著DSP、FPGA/CPLD、ARM等高性能數(shù)據(jù)處理及控制芯片的相繼出現(xiàn)，設(shè)計實現(xiàn)能同時擔(dān)任數(shù)據(jù)測量與運動控制等多重任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式測控系統(tǒng)已經(jīng)成為可能。網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)以其多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化、易于開發(fā)的特點，已成為現(xiàn)代工控領(lǐng)域的總體發(fā)展趨勢。測控科研實踐過程中，如果每次實驗或者每個項目都對應(yīng)開發(fā)一個具有專用功能的軟硬件系統(tǒng)，不僅耗時，而且耗費資金，這就迫切需要一個通用的測控平臺，根據(jù)不同項目或?qū)嶒炛恍枰鱿鄳?yīng)軟件更新和少量硬件更改就可以滿足需求，這樣即縮短了開發(fā)時間又降低了項目成本。為了服務(wù)實驗室相關(guān)項目，同時也是為線振動與過載組合測試設(shè)備、慣性產(chǎn)品動態(tài)組合測試試驗提供測控平臺所做的預(yù)先研究，本課題設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)化測試和控制平臺的實現(xiàn)方案。但受課題研究時間的限制，難以實現(xiàn)兼顧現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)所有優(yōu)勢的完全系統(tǒng)，謹(jǐn)以實驗室項目應(yīng)用為背景，定位本測控系統(tǒng)的研發(fā)目標(biāo)為：滿足多受控系統(tǒng)的同步的需要，搭建擁有網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、可擴展性、大數(shù)據(jù)帶寬特點的，具有相對廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的測控平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程通信、測控功能的嵌入式實現(xiàn)、操作的界面的虛擬化呈現(xiàn)。本課題的主要包括如下研究工作：（1）DSP、FPGA芯片和系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)研、選型；（2）進(jìn)行DSP最小系統(tǒng)模塊卡、FPGA最小系統(tǒng)模塊卡、綜合應(yīng)用模塊、以太網(wǎng)通信模塊卡的設(shè)計，完成以上各硬件模塊的調(diào)試；（3）實現(xiàn)基于FPGA的各種測控功能；（4）基于DSP的測控端程序設(shè)計；（5）實時以太網(wǎng)的搭建，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能；（6）設(shè)計上位機測控系統(tǒng)軟件平臺，主要包括測控系統(tǒng)操作界面、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲。（7）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)所設(shè)計的測控功能。論文的機構(gòu)安排為：第一章， 緒論部分，介紹本課題的背景以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。第二章， 測控系統(tǒng)整體設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，各模塊的功能分配,以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫的選型，并細(xì)化列出了上位機測控軟件的具體需求。第三章， 系統(tǒng)硬件設(shè)計部分，包括DSP最小系統(tǒng)模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊和綜合應(yīng)用模塊在內(nèi)的數(shù)據(jù)測量控制卡和以太網(wǎng)通信模塊的主要芯片選型和具體電路設(shè)計、注意事項和調(diào)試方法及結(jié)果。第四章， 基于FPGA和DSP的測控卡級軟件設(shè)計，完成QuartusII環(huán)境下FPGA內(nèi)一些具體的測控功能代碼塊的實現(xiàn)和CCS環(huán)境下基于DSP的下位測控端控制流程及具體測控功能的實現(xiàn)方法。第五章， 上位機測控系統(tǒng)軟件的設(shè)計，包括實時監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和基于文件型的數(shù)據(jù)后臺處理模塊，測試網(wǎng)絡(luò)通信性能，給出系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果。結(jié)論部分，敘述實際工作內(nèi)容及步驟，總結(jié)課題研究結(jié)果。第2章 測控系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案現(xiàn)代控制系統(tǒng)及各類工程測試實驗中往往包含多個受控對象或監(jiān)測節(jié)點，而且在大型系統(tǒng)中避免不了器件供應(yīng)商各異和年代差異大等情況，往往一個系統(tǒng)中會囊括紛繁多樣的通信媒介及協(xié)議，如果每個項目都針對性地開發(fā)一個專用的測控系統(tǒng)不僅加大了開發(fā)難度、延緩了開發(fā)周期，而且對也會對資金造成無謂的浪費，因此開發(fā)一個兼容性強的通用測控平臺具有很高的實用價值?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集及控制領(lǐng)域中原來越多的現(xiàn)場采集設(shè)備需要擴展網(wǎng)絡(luò)功能以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)以其低成本、易于集成、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。 測控系統(tǒng)總體設(shè)計為了滿足系統(tǒng)多測控對象、大數(shù)據(jù)量的需求，系統(tǒng)設(shè)計了多終端與主控中心通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖21所示。圖2 1 數(shù)據(jù)測量與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架主要的伺服控制、數(shù)據(jù)采集工作由現(xiàn)場的嵌入式數(shù)據(jù)采集控制卡（以下簡稱測控終端）完成。每個測控終端通過以太網(wǎng)通訊模塊擴展以太網(wǎng)接口，由點及面，以上位主控機為中心拓?fù)涑梢粋€以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)上位機與測控終端的數(shù)據(jù)交互，滿足了大數(shù)據(jù)量與較高實時性的要求。同時在上位機Visual Studio C 環(huán)境下[43][44]，設(shè)計測控軟件界面，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信功能，上位機端主要負(fù)責(zé)測控終端的任務(wù)下發(fā)及模式配置、交互測控數(shù)據(jù)、通過文件型數(shù)據(jù)庫對獲得的測試文件進(jìn)行管理和整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。 以太網(wǎng)通信方案的選擇以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)只用到了ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7層系統(tǒng)互連模型其中的5層，如圖22(d)所示。以太網(wǎng)的采用CSMA/CD機制，由此導(dǎo)致的非確定性是傳統(tǒng)以太網(wǎng)應(yīng)用于對通信實時性要求較高的工業(yè)通信及控制場合的最大障礙。為了適應(yīng)不同的實時性和成本要求，工業(yè)以太網(wǎng)對傳統(tǒng)以太網(wǎng)主要有如圖21所示的三種改進(jìn)方式[20][21]。圖2 2 工業(yè)以太網(wǎng)主要結(jié)構(gòu) 如圖22(a)所示基于TCP/IP的實現(xiàn)，這種方式沿用了以太網(wǎng)的14層，通過上層合理的控制來應(yīng)對通信中的非確定性，而且能夠與商用網(wǎng)絡(luò)自由地通信，但只適用于對實時性要求不高的應(yīng)用，使用這種方式的典型協(xié)議有和等；如圖22(b)所示的基于以太網(wǎng)的實現(xiàn)，使用未修改過的以太網(wǎng)通信硬件，上層利用一種專用的傳輸協(xié)議來傳輸特定，并通過一個一定的時間來占用以太網(wǎng)資源，可以實現(xiàn)較高的實時性，這類協(xié)議主要有、等；如圖22(c)所示基于修改過的以太網(wǎng)的實現(xiàn)，這種方式對以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了修改(硬件修改)，通過MAC來對實時通道內(nèi)的通信進(jìn)行控制，非實時數(shù)據(jù)仍然可以傳輸，可以獲得響應(yīng)時間小于，這種方式下的典型協(xié)議主要包括、和等。如果采用基于修改過的以太網(wǎng)的實現(xiàn)，則必須對底層硬件進(jìn)行修改，也就是說，不能利用我們常用的PC機，需要另向各總線標(biāo)準(zhǔn)支持商購買相應(yīng)的主從站硬件，不僅增大了開發(fā)成本和開發(fā)難度，同時也降低了系統(tǒng)的通用性。隨著控制功能的不斷豐富、控制精度及測量精度的不斷提升所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸量的不斷增大，這對更加高速有效的數(shù)據(jù)傳輸手段提出了需求。同時從可靠性角度出發(fā)，我們應(yīng)該將已有的成熟的高速數(shù)據(jù)傳輸手段從可應(yīng)用性和兼容性方面考慮做出簡化并廣泛推廣。本系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集控制卡可以很好地完成實時測控功能，網(wǎng)絡(luò)通信主要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速傳輸，對實時性要求不高，綜合考慮這些因素，本系統(tǒng)采用了基于第一種方式的通信協(xié)議。測控卡與上位主機進(jìn)行多卡組網(wǎng)之后，其通信傳輸層采用的協(xié)議有兩種： TCP和UDP。TCP主要用于系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始任務(wù)配置和與一些重要節(jié)點信號的通信；UDP主要是用于對大量實時數(shù)據(jù)的傳輸，由于其無連接特性，可以使通信帶寬大大增加，但是傳輸安全性會相應(yīng)降低。 數(shù)據(jù)采集控制卡的實現(xiàn)方案數(shù)據(jù)采集控制卡是系統(tǒng)測量與控制功能的實際執(zhí)行者，測控卡良好的可擴展性可以為系統(tǒng)后續(xù)的升級提供廣闊的空間，而且測控卡可能會面臨強電磁干擾、高溫、強震動、灰塵、靜電等復(fù)雜的工作環(huán)境，它的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體測控性能，因此是本系統(tǒng)硬件設(shè)計的重點。本系統(tǒng)設(shè)計的測控卡的架構(gòu)如圖23灰色區(qū)域所示。圖2 3 測控卡的簡易架構(gòu)現(xiàn)代DSP技術(shù)不斷發(fā)展，不僅能提供優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理性能，而且往往片上配有豐富的集成外設(shè)，方便了基于單片DSP擴展多種控制功能。本系統(tǒng)中DSP擔(dān)負(fù)主控制器職能，負(fù)責(zé)流程控制、任務(wù)分配及系統(tǒng)各部分軟、硬件的協(xié)調(diào)，主要包括控制算法的實現(xiàn)、協(xié)處理器任務(wù)的發(fā)放、以太網(wǎng)通信等。FPGA最大特點是現(xiàn)場可編程，這就相當(dāng)于在一個芯片的尺寸空間內(nèi)擁有了可以任意變化的數(shù)據(jù)處理電路，而且速度級別都是硬件級的。FPGA的觸發(fā)器資源豐富，內(nèi)部數(shù)據(jù)流并行，非常適合總線譯碼、外部中斷觸發(fā)的擴展及大量數(shù)據(jù)的并行處理。本系統(tǒng)中FPGA用以擴展與外圍功能模塊的通信接口，如獲取反饋信號、輸出控制信號、數(shù)據(jù)鎖存等，這樣就為系統(tǒng)升級、增加外設(shè)種類提供了可能性，同時當(dāng)系統(tǒng)有大量復(fù)雜算法需要運算時，可以接受DSP分配的數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。主要的測量控制任務(wù)通過以太網(wǎng)通信由運行于上位機的測控系統(tǒng)軟件進(jìn)行人工配置。 文件型數(shù)據(jù)庫測控卡通過以太網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)缴衔粰C的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，不僅要進(jìn)行快速地結(jié)構(gòu)化存儲，并且要便于查詢，為將來對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析調(diào)用提供便利，這就需要專業(yè)的數(shù)據(jù)管理工具。通經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，文件型數(shù)據(jù)庫有等特點，比較適合有較多操作的測控領(lǐng)域的應(yīng)用，而關(guān)系型數(shù)據(jù)庫更適合商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。文件型數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)如圖24所示，與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)對比如表21所示。圖2 4 文件型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表2 1關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與文件型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)對比 本系統(tǒng)將開發(fā)基于分布式文件型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理功能模塊，旨在為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供的高性能數(shù)據(jù)存儲解決方案。 測控軟件功能需求測控軟件的架構(gòu)如圖21所示，根據(jù)背景項目需求，其功能可以細(xì)化為如下幾方面：（1）通過以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)采