控制与检测信号的数据通信.pptx

第7章控制与检测信号的数据通信7.1数据通信系统的结构及分类7.1.1通信信号及其特点7.1.2集成系统中的通信系统型式7.1.3通信的可靠性与容错7.2集成系统信号数据流特点7.2.1控制系统的特征7.2.2控制系统的数据流模型7.3通信系统的硬件结构7.3.1通信媒质的选取7.3.2光纤CAN总线网络硬件设计7.3.3串行RS-422通信硬件设计7.3.4双口RAM通信的硬件设计第7章控制与检测信号的数据通信7.4数据结构设计7.4.1控制系统数据结构的统筹设计7.4.2CAN总线通信协议与软件的结构化设计7.4.3RS-232通信协议与软件的结构化设计7.4.4RS-422通信协议与软件的结构化设计7.4.5双口RAM通信协议与软件的结构化设计7.4.6通信容错策略7.5多种通信系统协同实现的综合控制7.5.1协调控制的实现步骤7.5.2全局数据更新7.5.3外围控制功能7.1数据通信系统的结构及分类典型集成通信系统结构如图7-1所示。它包括主控制单元、I/O(输入/输出)端口、人机界面、采样传感器和保护检测等硬件设置，信号流通过这些硬件设置相互传递，以准确控制能量流的变换和传输。7.1.1通信信号及其特点1.用户控制命令(1)2.外围电路状态(2)3.外围电路控制(3)4.系统主电路状态(4)5.反馈控制信号(5)1.多任务2.实时性3.可靠性4.协调性1.用户控制命令(1)这些命令主要由人机界面、远程控制系统或者控制面板提供给主控单元，它们包括主电路上电、去电、启动、停机和频率改变指令等。对控制系统而言，这些信号属于非周期性的事件信息，实时性要求较高。2.外围电路状态(2)外围电路是相对系统主电路的整流、吸收和逆变等模块而言的。外围电路在集成系统工作时起到输入输出变压调整、滤波以及冷却和外围开关互锁等作用。这部分电路的状态将直接影响集成系统的正常工作，因此必须进行监测。这些信号属于非周期性的事件信息，实时性要求高，在异常情况时控制系统需要根据它们的状况迅速地进行反应。3.外围电路控制(3)外围电路的控制通常由用户命令或故障引起，属于非周期性信号。由于外围电路的执行时间较长，一般在毫秒的数量级，因此此类信号的实时性要求不高。4.系统主电路状态(4)这是集成系统中数据量最大、对系统安全稳定运行最重要的一类信号，包括主回路母线电压、输出电流以及电机电流等的检测。这类信号大多是周期性信号，实时性要求较高。5.反馈控制信号(5)1)支持各种不同特性的数据交换，以完成控制系统中并存的多种任务。2)满足不同类型数据交换对实时性的要求。3)适应集成系统的工作环境，能可靠、准确地完成数据交换。5.反馈控制信号(5)图7-1集成系统中的典型通信系统1.多任务集成控制系统在正常工作时，需要应对的情况较为复杂。除了实施脉宽调制(PWM)和故障保护之外，还需要完成众多其他功能，如人机交互、数据采集、PWM脉冲管理、故障检测、外围控制等。这些功能由控制系统中的不同子系统配合完成，需要进行多种数据交换。2.实时性对于实时性来说，时间的确定性最为重要，即保证系统能在可确知的时间范围内完成规定任务。为了达到系统的快速响应目标，集成系统中控制部分的通信对实时性的要求非常高，特别是与保护和控制算法相关的检测信号的传输，至少要在每个PWM控制周期内完成一次数据更新；另一方面，控制系统在实现集成系统的人机交互功能时必须考虑到操作者的反应时间，因此实现人机界面相关通信时，对实时性的要求相对较弱。3.可靠性可靠性是指系统、设备或元器件在规定的条件下和规定的时间内，保证完成规定功能的能力。通信系统的可靠性则是指其在规定条件下准确完成数据传输功能并满足实时性要求的能力，是通信系统中非常关键的性能。如果不能保证通信数据的准确可靠，无论控制算法有多精确、通信速度有多快，控制系统都不能真正实现对集成系统的有效控制。4.协调性(1)各功能模块化，并尽量使模块之间接口变得简洁对于集成系统的控制系统而言，功能密度和复杂性的增加使单个微处理器难以实现所有控制任务，通常采用多个微处理器且各处理器有不同的分工。(2)信号与控制方法互相适应这个原则是针对信号、控制方法和控制效果之间的关系来制定的。(3)系统参数和控制参数互相匹配这里的系统参数主要指变频器主回路参数、变频器负载参数以及变频器应用环境的相关参数。图7-2系统功能、控制策略和实施时间分级关系示意图7.1.2集成系统中的通信系统型式1.现场总线与CAN总线2.异步串行通信3.光纤通信1.现场总线与CAN总线现场总线为一种开放系统互连模型作为基本构架的通信连线方式，具有开放性、分散性与数字通信等特征。使用较多的现场总线有Lonwork(Local Operation Network)、基金会现场总线(Foundation Fieldbus)、CAN(Controller Area Network)和Profibus等。2.异步串行通信常见的异步串行通信方式有RS-232、RS-485和RS-422等。RS-232作为一种标准，成为微机通信的标准接口之一。RS-485可以组建功能不复杂的总线网络，这种网络在总线资源的争用控制、通信故障检测等功能的实现上比较复杂。串行通信已经成为一种较为成熟和常规的技术，具体技术内容包括：通信效率分析、通信协议与硬件结构设计、误码机制研究等。3.光纤通信光纤通信是指将要传送的数据信号调制在光载波上，以光纤作为传输媒质的通信方法。光纤主要的特点是体积小、重量轻、抗EMI能力强，无电磁辐射及生存能力强等。光纤通信媒质分为两种：一是玻璃光纤，通信速度可以达到Gbit/s量级，光纤衰耗1dB/km；二是塑料光纤，它的抗EMI效果好，装配也相对简单，虽然通信速度只能达到数兆比特每秒量级，光纤衰耗也高达100dB/km左右，但价格便宜，对短距离通信已经足够。7.1.3通信的可靠性与容错通信系统的失效可能表现在：误码、由误码引起的数据错误和数据丢失、不确定性信息传输延时和通信超时等。影响通信中高速可靠传输的因素有：线路分布参数、通信节点间的波特率误差、现场干扰、通信双方的应答机制、通信协议的合理性等。为了提高系统的可靠性，常用的方法就是采用容错技术。这种技术的主要特点是在处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障或差错时，能自动检测与诊断，并能采取相应措施保证系统维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内，其主要内容包括故障的检测和诊断、故障修复等。7.2集成系统信号数据流特点通信系统的可靠与高效运行依赖于设计前对集成系统信号数据流特点的分析和把握。集成系统信号流特点是由集成系统功率变换和传输的特点而定的。要了解信号流的特点必须先了解功率变换结构及其控制系统的特点。7.2.1控制系统的特征1.人机界面2.反馈系统3.主控系统4.控制系统平台7.2.1控制系统的特征图7-3高压大容量三电平变频调速系统电气结构示意图1.人机界面人机界面是用户对装置运行情况进行控制与监测的窗口，主要功能是人机交互，即反映集成系统工作情况，实现操作者对集成系统运行状态和参数的监视及控制。根据大部分工业现场的需要，集成系统的人机界面应该既有本地操作功能，也能实现远程控制，主控系统在这两种控制模式下需要与两种人机界面通信。本地操作指现场控制采用可手持的控制盘(简称为手控盘或CDP)，而远程控制则指通过PC机与主控系统进行通信。2.反馈系统反馈系统是集成系统主电路与控制系统信息交流的通道，用以检测集成系统的其他部分，如主电路和外围电路的工作情况，并将其传递给主控系统。集成系统正是按照这些检测信号来运行，并实现用户期待的功能。3.主控系统1)与DSPb通过双口RAM进行通信。2)具有RS-232和CAN总线等通信资源，提供与CDP、A/D、I/O系统的通信接口。3)可以灵活设置调试和运行方式，方便开发调试。4)控制板上扩展一定容量的存储单元，包括E2PROM、SRAM等，以实现数据存储。5)硬件看门狗，异常时自动Reset。6)实现过热、过电流、过电压等各项保护功能。1)与DSPa通过双口RAM进行通信。2)根据自身的运算结果查表产生PWM脉冲信号。3)具有RS-232和CAN总线等通信资源，提供与PC机的通信接口。4)可以灵活设置调试和运行方式，方便开发调试。5)控制板上扩展一定容量的存储单元，如SRAM等。6)硬件看门狗，异常时自动Reset。3.主控系统图7-4控制系统硬件框图4.控制系统平台图7-5控制系统硬件方案7.2.2控制系统的数据流模型1)控制参数。2)实时数据。3)系统状态。4)控制命令。5)历史记录。数字越小优先级别越高。图7-6控制系统的数据流模型表7-1通信系统优先级分类表7.3通信系统的硬件结构本节介绍集成系统中的通信系统的硬件设计，确定在不同条件下采用的通信媒质和控制系统中的各种通信方式的设计方法，并估算各通信方式的硬件可靠性。7.3.1通信媒质的选取1.电通信与光通信的媒质选取2.光纤通信的标准接口3.通信接口的可靠性分析1.电通信与光通信的媒质选取常见的通信方式中，主要是采用光信号和电信号两种方式来实现数据的传递，电信号以电平的高低来表征数字信号的0和1，而光通信则采用光的明灭来表征。电通信以金属导体为通信媒质，常见的有电缆、双绞线等，而在缆线外层包裹屏蔽层的屏蔽电缆、屏蔽双绞线等，在抗干扰性能方面优于普通的电缆和双绞线。2.光纤通信的标准接口图7-7光纤通信基本构成3.通信接口的可靠性分析在对通信系统的可靠性进行分析之前，有必要对通信系统中的基本组成单元通信接口的可靠性进行估计和预测。由于通信系统是连续工作系统，要求在工作期间不出故障，因此在可靠性方面主要考察系统无故障连续工作的时间，其可靠性特征量一般选取平均无故障工作时间MTBF。7.3.2光纤CAN总线网络硬件设计1.几种CAN总线的拓扑比较2.星形总线拓扑分析7.3.2光纤CAN总线网络硬件设计图7-8传统的CAN总线拓扑1.几种CAN总线的拓扑比较图7-9星形网络拓扑1.几种CAN总线的拓扑比较图7-10环状网络拓扑2.星形总线拓扑分析图7-11星形总线拓扑结构示意图2.星形总线拓扑分析图7-12星形CAN总线中的光纤环节7.3.3串行RS-422通信硬件设计图7-13RS-422通信系统原理示意图7.3.4双口RAM通信的硬件设计实现双DSP间通信的双口RAM是一种用于需要有高速共享数据缓冲器系统的、两个端口都可以独立读/写的静态存储器(SRAM)，其功能与独立系统中的存储器不同，它实际上是作为双CPU系统的公共存储器。通常用于多机系统通信缓冲器、DSP系统、高速磁盘/磁带控制器等。7.4数据结构设计为使通信能够顺利进行，通信系统中的各方要在数据传送方式、数据编码、错误校验方式、信息格式以及通信基本参数等方面达成共识，制定相互匹配的通信协议。本节介绍两部分内容，一是控制系统的数据结构总体设计与统筹规划，二是按类型分别对各通信模块的协议和软件进行设计。7.4.1控制系统数据结构的统筹设计通过对控制系统中数据流特点的分类研究，可以发现在一些不同通信中，数据流类型与流量基本一致，因此可以采用相似的数据结构进行通信协议的设计，并针对通信方式的特点作适当的调整。7.4.2CAN总线通信协议与软件的结构化设计1.CAN总线的信息流分析2.CAN通信协议设计3.CAN通信软件的结构设计4.CAN通信的实时性分析1.CAN总线的信息流分析1)来自A/D系统的实时电压电流采样值。2)I/O系统对外围电路状态的反馈值。3)主控系统对外围电路动作的控制命令。4)来自主控系统的系统运行状态。5)来自主控系统的系统参数。6)来自I/O系统的状态控制命令。7)定时发送的通信状态数据。图7-14CAN总线中的数据流2.CAN通信协议设计图7-15CAN数据帧结构3.CAN通信软件的结构设计CAN控制器本身具备错误探测和管理功能。在制定协议时，通过对邮箱标识符及相关寄存器的合理分配，就能利用已有的总线仲裁功能来解决总线争用问题。4.CAN通信的实时性分析CAN通信中的延时可以分为三个主要部分，即产生延迟、队列延迟和传输延迟，均可用数学模型表示。产生延迟(Generation Delay，简称为GD)是指由应用层产生需要发送的数据到CAN控制器将其排入CAN总线等待队列的时间7.4.3RS-232通信协议与软件的结构化设计1.RS-232通信的数据流分析2.RS-232通信协议设计1.RS-232通信的数据流分析1)向系统发出如起动/停止、正/反转等各种运行控制命令。2)获知系统相应的运行状态信息。3)获知系统当前的系统参数。4)对系统的系统参数进行设置。5)获知系统主电路中的实时数据。6)向控制系统要求监视权和控制权，请求获得数据等。图7-16RS-232通信中的数据流2.RS-232通信协议设计图7-17RS-232通信的数据帧结构2.RS-232通信协议设计图7-18RS-232通信协议中主要的数据包类型7.4.4RS-422通信协议与软件的结构化设计1)接收上次参数。2)发送设定参数。3)发送控制命令。4)接收当前运行状态。5)故障信息报警。6)充电提示。7)故障历史记录。7.4.4RS-422通信协议与软件的结构化设计图7-19RS-422通信中的数据流7.4.5双口RAM通信协议与软件的结构化设计1.双口RAM通信内容分类与通信方式2.双口RAM通信软件的结构化设计3.双口RAM使用中的争用问题及解决办法1.双口RAM通信内容分类与通信方式1)系统参数。2)起动/停止、正/反转等各种运行控制命令。3)系统相应的运行状态信息，如充电状态，起停状态等。4)系统主电路中的实时数据。5)故障保护动作。6)故障信息报警。7)人机界面控制权的切换，请求获得数据等。图7-20双口RAM通信中的数据流2.双口RAM通信软件的结构化设计双口RAM通信可以采用查询和中断两种方式进行。查询方式一般用于一些不断更新而且重要性不是特别高的信息交换，一端的DSP不断将数据写入双口RAM，而另一端则根据需要来主动读取数据。对于实时性要求较高的信息交换，如控制命令、保护动作等，使用中断方式进行通信可以保证较高的实时性。3.双口RAM使用中的争用问题及解决办法采用中断方式进行通信时，合理的程序可以保证一方在完成了对双口RAM的访问后才引发另一方的中断，因此基本不存在双方同时访问同一地址的问题。但在使用查询方式进行通信时，由于双方的操作对象都是同一地址，如果双方的访问时间偶然重合，则会面临前述的争用问题。在出现争用情况时，对数据的读写操作容易造成错误，使得数据出现混乱7.4.6通信容错策略1.数据检错，错误重发2.相互监视3.通信控制器检错4.有限时间等待5.通信被中断后的恢复1.数据检错，错误重发数据通信的错码校验是通信中最常用的差错控制方法，错误检测和处理是在链路协议中分散进行的，其检测的错误主要包括：包序号错、包长度错、校验错、帧格式错、断帧等。这些错误可以在数据包的解包过程中检查并处理。串行通信中基本的校验方法有校验和、奇偶校验、CRC校验等。需要注意的是，前两种校验方法本身并不具备纠错能力，而CRC校验法能发现全部单数个或奇数个错误，具有较强的检错、纠错能力。2.相互监视在控制系统中，各个子系统都通过一定的通信方式与其他部分相连，并保持定时的通信。在这种通信机制下，每个子系统都在监视与其相连的子系统的工作状况，因此，在控制系统的某一部分失效时，系统能迅速察觉并主动采取相应的措施，从而防止故障的扩大和变频器的不受控情况的出现。3.通信控制器检错DSP中的通信功能模块出现错误超过一定次数后，就会自动将这部分功能挂起，不再响应外界发生的事件。这种机制的原意是防止系统受到严重干扰而影响整体程序的运行，但在集成系统的控制系统中，任何一部分程序与功能都是与其他部分紧密结合的，都是不可或缺的。因此在应用层软件中，定时检查各部分的通信是否出现了错误报警或功能挂起，若错误解除，则将该标志位清零，使这部分功能重新有效。4.有限时间等待软件设计时，常在进入某一需要循环等待的通信进程时设置超时返回时间阈值，在超过时限仍未完成时，就认为进程失败，放弃该进程，使通信系统中的各个标志字与寄存器复位，回到程序的主循环。这种方法在很多地方都有应用，如CAN通信和RS-232通信的查询发送过程，RS-232通信中的超时重发机制也是由此变形而来的。5.通信被中断后的恢复在数据通信过程中，不可避免存在控制芯片由于响应其他服务而中断当前正在进行的串行通信的情况。为了恢复被中断的通信，在通信过程中应将与通信内容相关的数组指针设置为全局变量，使其在其他进程结束后能指示通信任务的完成情况，以恢复原有通信。7.5多种通信系统协同实现的综合控制在实现了通信系统数据交换功能的基础上，本节对集成系统的控制系统中需要实现的综合控制功能进行原理分析，制定控制策略，并依据功能中的数据流特点设计和实现与其相关的应用层软件。7.5.1协调控制的实现步骤1)以功能模块为单位，分析该功能的实现原理及与其他功能之间的关系。2)根据原理设计并优化该功能的数据流图，分析其是否满足功能和逻辑的要求。3)以数据流图为依据，设计信号的处理、传输、执行等环节的解决方案。7.5.2全局数据更新1.变换器状态更新2.控制参数设置与更新3.存储记录与更新1.变换器状态更新1)起停状态：指示变换器当前是处于运行状态还是停止状态。2)转向：指示变换器驱动的电机是正向还是反向运行。3)运行频率：指示变换器当前的运行频率。4)主电路实时数据：包括直流母线上、下桥臂电压和输出的三相电流，电压范围在零到数千伏，电流范围在零到数百安培。5)故障状态：指示变换器当前是否存在故障及故障类型。6)充电状态：指示变换器的主回路开关是否合上，并定性反映直流母线的电压状况。7)控制状态：指示变换器的控制权在手控盘中还是在PC机上。图7-21控制器状态数据流2.控制参数设置与更新图7-22参数更新数据流3.存储记录与更新控制系统中当前的控制参数在得到全局更新后，就存入非易失存储器E2PROM中。由于参数数组较大，一次性实现存储功能需要占用DSP的时间约为20ms左右，如果不能被打断的话可能会影响DSP中需要实现的其他功能的时效性。这个功能对于变换器来说并不是最急需完成的，因此在主循环中采用分段存储的方式实现该功能，既能被任何优先级高于主循环的中断打断，也不会在一次主循环中占用大量时间。7.5.3外围控制功能图7-23变换器的正常开关机逻辑7.5.3外围控制功能图7-24外围控制的数据流