摘 要：簡述了計算機實時控制及分布式控制系統(tǒng)（DCS）的一般特點，并以某型水下機器人的控制系統(tǒng)為例，詳細介紹了一種小型實時DCS系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。

關(guān) 鍵 詞：實時控制; 分布式控制系統(tǒng); 雙端口存儲器; 串行通訊

1 引言 　　

自七十年代以來，以微機為核心的分布式控制系統(tǒng)將現(xiàn)代科技的最新成就：計算機（Computer），通訊（Communication），和自動化控制（Control）技術(shù)（簡稱3C技術(shù)）集為一體形成集散控制系統(tǒng)，它采用危險分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設計思想、多層分級的結(jié)構(gòu)形式，使其可以勝任各種復雜實時控制的要求。

　　實時控制是計算機應用的一個重要而極富潛力的方面，它主要包含實時性和多任務性兩大特點。實時性是指在控制系統(tǒng)中，控制行為必須在指定的時間內(nèi)開始和完成，信號要求按時序發(fā)送;多任務性是指系統(tǒng)中有多個獨立和/或半獨立的任務，同時分別執(zhí)行對不同信號的處理和對不同設備、不同過程的控制。某型水下機器人的控制系統(tǒng)屬于典型的實時控制問題，要求在一個節(jié)拍（0.5秒）內(nèi)系統(tǒng)完成對各路傳感裝置的信息獲取、控制計算、推力分配、分發(fā)控制指令，為此自行設計了一個小型集散控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2 系統(tǒng)的工作流程 　　

如圖1所示，處在水下的三個單片機主要負責數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理后再通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機（動力定位控制主機）;由兩臺聲納解算機單獨完成對多普勒測速聲納、定位測高聲納反饋的水聲信號的處理，然后再將所需機器人的速度信息和位置姿態(tài)信息通過RS-485串口發(fā)送給上位機。上位機根據(jù)這些反饋信息作控制計算，然后將控制指令發(fā)送給單片機，由單片機控制各執(zhí)行機構(gòu)。

圖1 某型水下機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn) 　　

3.1 硬件設計 　　

根據(jù)分散控制、集中管理的設計思想并結(jié)合該課題的實際情況，設計了以動力定位控制主機為管理級計算機、以兩臺聲納解算機和主單片機為監(jiān)控級計算機、兩片從單片機為直接控制機的三級控制系統(tǒng)，其中主、從單片機均選用80c196kc。 　　

在傳感裝置的選用上，盡量選用抗干擾性強的智能傳感儀器，同時考慮到預研項目的經(jīng)費情況，也用了一些常規(guī)的傳感器。另外，由于機器人外部有很多傳感器，而艙室空間又十分有限，因而本文參考現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)信息處理現(xiàn)場化的思想在機器人外部放置了一個單片機，完成這些傳感器數(shù)據(jù)的處理后再上傳給主單片機。試驗表明，這種方案不僅可以緩解主單片機的工作壓力，實現(xiàn)分布系統(tǒng)的設計思想，還可以減少信號傳輸線上的共模干擾。 　　

控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)主要是五臺推進電機、舵、及縱橫傾調(diào)節(jié)裝置。其中縱橫傾調(diào)節(jié)裝置為24V力矩電機帶動滑塊移動從而調(diào)節(jié)水下機器人的縱橫傾，經(jīng)高性能光電隔離芯片后與從單片機1并行口連接。在水下機器人的運動過程中，隨時可能要改變推進電機的轉(zhuǎn)速以得到不同的推進力，而變頻調(diào)速是實現(xiàn)電機調(diào)速的最理想方式。本系統(tǒng)采用臺達VFD-A/H型變頻器，它不僅可以實現(xiàn)各種轉(zhuǎn)速曲線，而且還具有過壓、過流、過熱等完善的保護措施。該變頻器與控制系統(tǒng)的接口為RS485串行口，一塊CPU最多可接32個變頻器。 　　

3.2 系統(tǒng)通訊 　　

從圖1中可以看出，該控制系統(tǒng)是一個典型的多機系統(tǒng)，多機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和難題之一是信息共享，這一難題解決的好壞直接關(guān)系到控制系統(tǒng)能否順利實現(xiàn)對水下機器人的運動控制。根據(jù)控制系統(tǒng)的實際情況和上位機對執(zhí)行機構(gòu)隨動的要求，本文采用了并行通訊與串行通訊相結(jié)合的通訊方式，以下將簡要介紹這幾種通訊方式。

　　3.2.1 單片機1與五臺變頻器之間的通訊 　　

采用標準串行口RS485半雙工通訊方式，原理如圖2所示。其中，從單片機1作為主機，波特率為9600bps,奇校驗，模式3方式,字符8位、起始位1位、停止位1位、1位地址/數(shù)據(jù)位，共11位。由于是點對多點的通訊，因而采用地址位喚醒方式，五臺變頻調(diào)速器的地址分別是$00～$04。

圖2 從單片機1與變頻調(diào)速器間的通訊電路

圖3 主、從單片機間的通訊電路[/align] 　　

由于RS-485為半雙工通訊方式，同一時刻只允許CPU工作在發(fā)送（或接收）一種工作方式下，因而在從單片機1中設有發(fā)送/接收切換程序。在初始化時，將P2.6和P2.7清零使從單片機1串口只接收數(shù)據(jù)，以中斷方式接收變頻器數(shù)據(jù);在發(fā)送程序中，首先將P2.6和P2.7置位使從單片機1串口工作在發(fā)送方式，發(fā)送完畢后再將P2.6和P2.7清零，這樣就實現(xiàn)了從單片機1與變頻器之間的半雙工通訊。 　　

3.2.2 主單片機與從單片機1之間的并行通訊 　　

在圖1所示的控制系統(tǒng)中, 主單片機與從單片機1之間的通訊不僅通信量大而且為實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)，要求執(zhí)行機構(gòu)對控制器控制指令的滯后越小越好，因而宜采用并行通訊。在現(xiàn)今很多種并行通訊方式中，雙端口存儲器能以最小的軟、硬件代價實現(xiàn)高速、可靠的并行通訊，因而本文采用雙口RAM IDT7132作為主、從單片機的共享RAM來實現(xiàn)并行通訊，如圖3所示（注意圖中READYL與READYR的位置）[3]。由于雙端口RAM的特殊結(jié)構(gòu)使得雙機可以方便快速地進行數(shù)據(jù)交換，從而大大減少了通訊所引起的滯后，為實現(xiàn)隨動控制提供了可能。如果要構(gòu)成2K×16位雙口RAM，再加一片IDT7142即可。 　　

3.2.3 主單片機與動力定位控制主機之間的串行通訊 　　

通訊電路圖與圖2相仿，只不過為提高通訊速率將RS485二線制通訊方式改成了RS422四線制通訊方式，收發(fā)器由MAX485換成了MAX490。 　　

在主單片機一側(cè)，由于要發(fā)送的信息很多（共有107個字符）因而在程序中將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分成兩組，每一組分別設有協(xié)議頭和校驗和，根據(jù)上位機通訊控制字符（分別是55H和66H）的不同來確定發(fā)送哪一組數(shù)據(jù)。在上位機一側(cè)，由于上位機要動態(tài)顯示水下機器人的運動姿態(tài)，接收各種設備的返回信息，如采用中斷信息接收方式，在同一時間每個下位機都向上位機發(fā)送信息時，會發(fā)生沖突導致信息丟失。為此，各下位機向上位機的信息傳輸要按照上位機的命令，整個系統(tǒng)按照統(tǒng)一節(jié)拍工作。當上位機空閑時就按順序發(fā)送一個使能命令給第i個下位機，第i個下位機接到命令后立即將要上傳的信息發(fā)出，如果上位機沒有接到，則重新發(fā)送該使能命令。同時為了提高通訊的可靠性，在通訊的每一側(cè)將待發(fā)送字符拆為3xH的形式，再對所發(fā)送的這組數(shù)據(jù)進行加和運算以求出校驗碼。通訊的另一側(cè)接收完一組數(shù)據(jù)后進行求和校驗，如校驗和不正確，則該組數(shù)據(jù)作廢，等待下一組數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語 　　

本文設計了由上位PC機、下位PC機及單片機所組成的一種實時分布式控制系統(tǒng)，采用智能傳感儀器和常規(guī)傳感器相結(jié)合的信息獲取方式及變頻器的變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)了水下機器人的運動控制。整個控制系統(tǒng)中動力定位控制主機用于通訊的時間最長，約為0.2秒，但仍遠小于系統(tǒng)所要求的工作節(jié)拍（0.5秒），從而實現(xiàn)了對機器人位置姿態(tài)信息的實時獲取。該型水下機器人已經(jīng)完成了航向控制和定深控制實驗，試驗結(jié)果表明，該分布式系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了實時控制，為我國水下機器人的進一步研究創(chuàng)造了條件。

參考文獻 　　

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