集群设备最少布线控制传输方法

何波玲

摘要：在飞行模拟器仿真、电站仿真等领域，会涉及对大量集群设备的控制。对设备进行采样、驱动时，系统布线成为重要工程问题，目前普遍采用AD转换电路板、串口卡、现场总线CAN等方法，存在布线密集复杂、不易维护、传输速率不高、使用的协议不统一从而导致协议转换难等不足。针对仿真系统设备控制驱动的特点，探讨了一种布线最少、易于开发维护、实时性高、兼容TCP/IP协议的控制传输方法，该方法也可应用于工业控制、设备控制、数据传感采样等领域。

关键词关键词：仿真系统；设备控制；TCP/IP协议

DOIDOI：10.11907/rjdk.161316

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007016402

0引言

在飞行模拟器仿真、电站仿真等领域，会涉及对集聚在一起的大量设备的控制＼[14＼]。飞机座舱内的大量设备彼此物理距离很近，对设备进行采样、驱动时，系统布线成为重要工程问题。目前主要有3种方法：一是使用AD转换电路板，二是使用串口卡，三是使用现场总线CAN。在设备数量少的情形下，可以使用AD转换电路板，但当设备数量较大时，布线密集复杂，不便维护；使用串口卡可使布线达到最少，但串口传输速率不高且需要分时控制，设备控制的实时性难以得到保障；使用现场总线CAN可使布线达到最少，且控制可靠、实时性高，但其使用的协议与仿真系统其它主机使用的TCP/IP协议不兼容，需要进行协议转换。因此，探讨一种可用于大量集群设备控制、布线最少、实时性高、兼容TCP/IP协议的控制传输方法，其可应用于工业控制、设备控制、数据传感采样等领域，尤其是仿真领域。

1CU现场与仿真现场

集群设备最少布线结构如图1所示，包括CU（Control Units）现场和仿真现场两部分，CU现场指被控制设备所在现场，如飞行模拟器中位于六自由度平台上的飞机座舱内的全部设备。仿真现场指运行仿真应用程序的主机所在现场。通常，CU现场和仿真现场是物理分离的，二者距离没有限制，一般工程应用距离为100～500m之间。

CU现场包括若干控制单元CU（Control Unit）、若干以太网络交换机E-HUB（Ether HUB）、若干CU电源转接器PW-HUB（PoWer HUB）、一个或多个CU电源转接口和市电电源转接口。

仿真现场包括运行仿真应用的若干仿真主机、为CU现场设备供电的电源以及实现仿真现场仿真主机与CU现场设备通信的主干网络。仿真主机上运行的仿真应用进程使用来自CU现场的设备采样信号并产生控制CU现场中设备的驱动信号，仿真现场是CU现场的客户。

2.1控制单元CU

控制单元CU包括受控的设备、施控的驱动电路、运行控制程序的单片机、进行通信的嵌入式以太网控制器。

2.2控制单元CU间的连接设备

以太网络交换机E-HUB为交流以太网络交换机或直流以太网络交换机，以太网络交换机E-HUB之间通过以太网线相连，使用市电供电。CU电源转接器PW-HUB为控制单元CU提供CU电源接入。

CU电源转接口通过多路CU电源线PWLs（PoWer Lines）与CU电源相连，实现CU电源接入，通过多路CU电源线PWLs与CU电源转接器PW-HUB相连，多路CU电源线PWLs经CU电源转接器PW-HUB转接为单路CU电源线PWL，为控制单元CU供电。市电电源转接口为以太网络交换机E-HUB的供电电源提供转接。

控制单元CU通过以太网线EL（Ether Line）与以太网络交换机E-HUB相连，通过单路CU电源线PWL（PoWer Line）与CU电源转接器PW-HUB相连。当以太网络交换机E-HUB具有提供供电电源信号的功能，而且该电源信号满足或经电路变换后可以满足控制单元CU的电源供电要求时，可以采用以太网络交换机E-HUB的电源信号替代单路CU电源线PWL为控制单元CU供电。

2.3布线优化

为进一步优化系统布线的易维护性，采用多类插口设计，如图2所示。控制单元CU含插口E、插口F，通过插口E接入单路CU电源线PWL，通过插口F与以太网线EL相连；CU电源转接器PW-HUB含有含插口D以方便引出单路CU电源线PWL；还可以含有插口C以方便接入CU电源转接口的多路CU电源线PWLs； CU电源转接口含有插口A以方便接入CU电源，含有插口B以方便与CU电源转接器PW-HUB相接；市电电源转接口含有插口G以方便市电供电线接入，含有插口H以方便220V，50Hz市电接入以太网络交换机E-HUB。

2.4CU现场与仿真现场连接

集中控制机对控制单元CU进行集中控制管理，它是配置有一个或几个以太网控制器的商用PC机、工业控制计算机或其它类型计算机。集中控制机与以太网络交换机E-HUB通过以太网络、采用TCP/IP协议进行通信，以下是两种最佳构建方式：①以太网络交换机E-HUB直接通过以太网线与集中控制机的以太网控制器相连；②以太网络交换机E-HUB和集中控制机通过以太网线与同一个以太网交换机相连。

3控制及数据传输过程

参考图2，设备控制及数据传输过程如下：

（1）每个控制单元CU对设备执行采样操作和/或驱动操作。采样操作过程是：单片机通过驱动电路对设备进行采样获取采样值，以下称局部采样值，通过以太网控制器将局部采样值发送给集中控制机；驱动操作过程是，通过以太网控制器接收集中控制机的驱动值，以下称局部驱动值，根据局部驱动值，通过驱动电路对设备进行驱动。

（2）集中控制机执行采样集中操作和/或驱动分发操作。采样集中操作过程是：通过以太网控制器接收各控制单元CU发来的局部采样值，对各局部采样值进行集中，可获取该集中控制机所控范围内的全部采样值信息，以下称集中采样值；集中控制机获取其所控范围内的全部驱动值信息，以下称集中驱动值，依据集中驱动值确定各控制单元CU的局部驱动值，通过以太网控制器向各控制单元CU发送局部驱动值；所述集中采样值，通常经过主网络发往应用主机；集中驱动值，通常经过主网络，来自应用主机；主网络通常为以太网络，也可以是反射内存网其它工业网络、甚至是自主研发的非标准网络；应用主机是指使用采样值和/或产生驱动值，通常完成特定领域应用任务的计算机或设备。

4结语

本文介绍了一种可用于大量集群设备控制、布线最少、实时性高、兼容TCP/IP协议的控制传输方法，具有如下特点：①控制单元CU的受控设备与施控的驱动电路、单片机、以太网控制器物理地绑定在一起，通过最多两根连接线与外部相连，布线少，且易于拆卸，方便维护；②控制单元CU与以太网络交换机E-HUB、CU电源转接器PW-HUB物理距离上可以很近，连接线可以较短；③以太网络交换机E-HUB通过互连后，可以使用一根连接线与CU现场外部相连，布线少；④以太网络交换机E-HUB可以使用多根连接线与CU现场外部相连，提高数据传输速率；⑤可使用多台集中控制机对CU现场进行控制，满足设备控制容量扩充或进一步提高数据传输速率；⑥集中控制机或CU现场可通过以太网与外部进行通信传输，传输距离远，需要时可进行远程传输；⑦控制单元CU的以太网控制器采用TCP/IP协议进行通信，适用范围广；⑧当控制单元CU的以太网控制器采用硬件实现TCP/IP协议时，可使单片机程序开发极大地简化，并会

第7期 宫向阳：基于DPI技术的LTE_S1接口流量识别系统设计与实现软 件 导 刊2016年标题