【正文】 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。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。以太網(wǎng)的采用CSMA/CD機(jī)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。同時在上位機(jī)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(jī)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。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。現(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(kuò)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。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(jī)測控軟件的具體需求。（7）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)所設(shè)計的測控功能。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(kuò)展性、大數(shù)據(jù)帶寬特點(diǎn)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)。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(fèi)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。 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(yùn)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。現(xiàn)今的發(fā)展主要有以下方向和趨勢：更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信，更便捷的人機(jī)交互，更低功耗，更小尺寸[19][46]。嵌入式控制系統(tǒng)是以應(yīng)用為導(dǎo)向，基于計算機(jī)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]。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。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]。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。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(yùn)動控制模塊卡就可以實現(xiàn)功能的多樣化。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(yùn)行、維護(hù)成本。虛擬儀器的功能擴(kuò)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(jī)集成。虛擬儀器技術(shù)能快速將計算機(jī)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(qiáng)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。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(jī)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理[7]。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)。 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]。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(diǎn)[3]。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第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。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文基于DSP+FPGA的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 引言 1 測量技術(shù)發(fā)展概述 1 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析 2 課題來源及主要內(nèi)容 3第2章 測控系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案 5 測控系統(tǒng)總體設(shè)計 5 以太網(wǎng)通信方案的選擇 6 數(shù)據(jù)采集控制卡的實現(xiàn)方案 7 文件型數(shù)據(jù)庫 8 測控軟件功能需求 9 本章小結(jié) 9第3章 數(shù)據(jù)采集控制卡的硬件設(shè)計 10 數(shù)據(jù)采集控制卡的模塊劃分 10 數(shù)據(jù)采集控制卡硬件電路設(shè)計 11 DSP模塊電路設(shè)計 11 FPGA模塊電路設(shè)計 14 綜合應(yīng)用模塊電路設(shè)計和聯(lián)調(diào) 17 以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計 22 以太網(wǎng)通信芯片簡介 23 以太網(wǎng)通信模塊的電路設(shè)計 23 電路設(shè)計注意事項及硬件調(diào)試方法 25 本章小結(jié) 26第4章 數(shù)據(jù)采集控制卡的軟件設(shè)計 27 QuartusII環(huán)境下FPGA多功能的實現(xiàn) 27 FPGA功能模塊概覽 28 DSP與FPGA通信模塊 29 BissC協(xié)議光柵通信模塊 30 光電編碼器信號解碼模塊 33 外部存儲器擴(kuò)展模塊 34 外部AD/DA擴(kuò)展模塊 37 多周期等精度同步測頻模塊 38 基于DDFS技術(shù)的信號發(fā)生模塊 40 數(shù)字信號處理模塊 44 CCS環(huán)境下DSP測控功能的實現(xiàn) 44 DSP程序流程 45 一種顯著提高DSP程序運(yùn)行速度的方法 46 以太網(wǎng)通信功能的實現(xiàn) 47 DSP對FPGA測控功能的控制 50 本章小結(jié) 50第5章 上位機(jī)測控系統(tǒng)軟件的設(shè)計 51 測控系統(tǒng)軟件的功能架構(gòu) 51 實時監(jiān)控模塊 51 模塊簡介 51 新建工程 52 信號測量 53 運(yùn)動控制 55 文件處理 56 網(wǎng)絡(luò)通信模塊 58 數(shù)據(jù)后臺處理模塊 60 本章小結(jié) 61結(jié) 論 62參考文獻(xiàn) 63哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(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(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。上世紀(jì)中后期誕生了以電子計算機(jī)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。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(jī)、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(qiáng)有力的支持。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。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(jī)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]。，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(jī)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]。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]。美國國家儀器公司是專業(yè)從事的信號采集、調(diào)理與運(yùn)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。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。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。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(yùn)動控制系統(tǒng)必將有更廣闊的應(yīng)用前景。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)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(qiáng)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。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(diǎn)和嵌入式控制系統(tǒng)高實時性特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式控制系統(tǒng)。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(diǎn)，已成為現(xiàn)代工控領(lǐng)域的總體發(fā)展趨勢。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。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(jī)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。論文的機(jī)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。第五章， 上位機(jī)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。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(diǎn)，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(fèi)，因此開發(fā)一個兼容性強(qiáng)的通用測控平臺具有很高的實用價值。 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。每個測控終端通過以太網(wǎng)通訊模塊擴(kuò)展以太網(wǎng)接口，由點(diǎn)及面，以上位主控機(jī)為中心拓?fù)涑梢粋€以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)上位機(jī)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。 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。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]。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(jī)，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。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。測控卡與上位主機(jī)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。 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(kuò)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(qiáng)電磁干擾、高溫、強(qiáng)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(diǎn)。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