PAC 在某動力系統(tǒng)訓(xùn)練模擬器中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯PAC在某動力系統(tǒng)訓(xùn)練模擬器中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用摘要：介紹了某型艦艇動力系統(tǒng)訓(xùn)練模擬器的組成與基本工作原理。詳細(xì)介紹了I/O設(shè)備的選型依據(jù)，給出了ADAM5510-E/TCP的基本性能，并詳細(xì)介紹了其在模擬器中的硬件配置方法和主要軟件的編制思想。實踐證明，基于ADAM5510-E/TCP所設(shè)計的訓(xùn)練模擬器運行穩(wěn)定、擴(kuò)展靈活，完全滿足軍事訓(xùn)練需求。

0引言

上世紀(jì)九十年代以來，由于計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，訓(xùn)練模擬器在各個領(lǐng)域特別是航海、航天、軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用并取得了很好的應(yīng)用成果。動力系統(tǒng)是艦艇的重要系統(tǒng)之一，其操作人員的操作水平對艦艇能否遂行各項戰(zhàn)斗任務(wù)影響重大。因此，動力系統(tǒng)訓(xùn)練模擬器在我國海軍已得到較廣泛應(yīng)用。這些訓(xùn)練模擬器大都采用半實物仿真的模式，模擬器在設(shè)備外觀上與被仿真設(shè)備完全一致，但其內(nèi)部為計算機(jī)控制，并沒有真實設(shè)備。這種訓(xùn)練模式的優(yōu)點是學(xué)員的操作手感與被仿真設(shè)備完全一致，學(xué)員完成訓(xùn)練后完全可以達(dá)到操作實際裝備所需的操作技能，能顯著提高軍事訓(xùn)練的質(zhì)量與速度。

半實物仿真設(shè)備面板上有各類操作與顯示部件，必須用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集操作人員操作開關(guān)等部件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時還要驅(qū)動指示燈、儀表等顯示部件將計算結(jié)果進(jìn)行輸出。因此，設(shè)計一套可靠工作的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是研制半實物訓(xùn)練模擬器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1系統(tǒng)概述

動力系統(tǒng)設(shè)備多而且關(guān)系復(fù)雜，筆者開發(fā)的模擬器包括37臺模擬設(shè)備，合計開關(guān)量輸入點733個，開關(guān)量輸出點1115個，模擬量輸入點19個，模擬量輸出點149個。系統(tǒng)的是仿真服務(wù)器（該服務(wù)器同時作為模擬器的教練員臺）。服務(wù)器上運行SimuEngine仿真引擎，系統(tǒng)中所有的數(shù)學(xué)模型都由仿真引擎調(diào)度。I/O設(shè)備采集半實物設(shè)備上的操作，由通信程序?qū)⒉僮鲾?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器上的實時數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，計算結(jié)果也寫入實時數(shù)據(jù)庫。通信程序?qū)⒂嬎憬Y(jié)果發(fā)送給I/O設(shè)備，I/O設(shè)備驅(qū)動相應(yīng)的指示燈或儀表進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2設(shè)備選型

接口系統(tǒng)的設(shè)計有四種方案可供選擇：

（1）基于某種型號的微處理器或單片機(jī)設(shè)計專用的接口硬件。該方案的優(yōu)點是成本低，但設(shè)計周期長，可靠性難以保證，且開發(fā)調(diào)試?yán)щy。

（2）采用工業(yè)控制計算機(jī)以及配套的硬件接口。該方案的優(yōu)點是成本較低，選型方便快捷、開發(fā)調(diào)試方便。但由于這種接口系統(tǒng)依賴于WINDOWS操作系統(tǒng)運行，可靠性不高。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（3）采用可編程序控制器PLC作為接口。該方案的優(yōu)點是可靠性高、開發(fā)調(diào)試方便、模塊化結(jié)構(gòu)、易于維護(hù)；缺點是成本高，而且傳統(tǒng)的中低端PLC沒有以太網(wǎng)接口，不易構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，推出的帶以太網(wǎng)接口的PLC價格昂貴。

（4）采用可編程自動化控制器PAC（ProgrammableAutomationController）。PAC結(jié)合了PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢，以及PLC固有的可靠性和分布特性，是近年來在工控領(lǐng)域出現(xiàn)的新型控制器。PAC與傳統(tǒng)PLC的性能比較見表1。

表1PAC與傳統(tǒng)PLC的性能比較

PAC產(chǎn)品型號眾多，經(jīng)過多方比較，選擇了ADAM5510-E/TCP。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，其CPU模塊包括80188CPU、256KBFLASHROM、256KBSRAM和三個串行通訊口與一個10/100M以太網(wǎng)接口。其底板有8個擴(kuò)展槽，可以安裝不同類型的I/O模塊。系統(tǒng)內(nèi)置ROM-DOS，與MS-DOS操作系統(tǒng)兼容，提供了除BIOS之外的基本MS-DOS功能調(diào)用，允許運行用C或C++等語言編譯的應(yīng)用程序。與PLC相比，5510運算能力和通訊能力更強，模擬量點價位低。與工控機(jī)相比，5510系統(tǒng)更加緊湊，抗干擾能力更強，因此適合做模擬器的I/O設(shè)備。

本系統(tǒng)*選擇了四種I/O模塊：16通道隔離數(shù)字量輸出模塊ADAM5056S、16通道隔離數(shù)字量輸入模塊ADAM5051S、4通道模擬量輸出模塊ADAM5024、8通道高速模擬量輸入模塊ADAM5017H等。另外，在某些操作臺上有數(shù)碼管顯示器件。由于數(shù)碼管的位數(shù)較多，為了節(jié)約輸出模塊，不宜用5056的輸出口直接驅(qū)動數(shù)碼管的各段，因此選用了MAX7219作為數(shù)碼管的驅(qū)動芯片。通常，使用單片機(jī)等微控制器通過7219的DIN、CS和CLK三根信號線控制它進(jìn)行數(shù)碼管的顯示。該項目中由5056的三個輸出口模擬微控制器的三個口線對7219進(jìn)行控制。

3程序設(shè)計

5510沒有顯示界面，首先在PC機(jī)上編寫應(yīng)用程序，編譯好之后再到5510內(nèi)。5510采用了DOS類操作系統(tǒng)，不支持多線程編程，每臺5510的程序隨I/O模塊配置不同略有不同，但程序的總體流程均如圖2所示。

圖2程序總體流程

3.1初始化子程序

（1）啟動看門狗。系統(tǒng)由于某種原因陷入死循環(huán)后能自動退出，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。

（2）初始化5024、5017。該兩種模擬量模塊在使用之前需要通過軟件進(jìn)行設(shè)置。其中5024設(shè)置為4~20mA電流輸出，5017設(shè)置為0~10V輸入。

（3）啟動網(wǎng)絡(luò)心跳包檢測定時器。網(wǎng)絡(luò)心跳包用于確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。

3.2網(wǎng)絡(luò)連接子程序

控制器首先建立socket，然后與服務(wù)器連接。網(wǎng)絡(luò)連接子程序的主要部分為：

voidConnectServer()

{//首先進(jìn)行相關(guān)變量定義

if((SO_5510=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP))==

INVALID_SOCKET)//建立socket并設(shè)置為TCP方式

{//未能建立socket的處理}

pulArgp=1;

if(ioctlsocket(SO_5510,FIONBIO,pulArgp))//將socket設(shè)置為非阻塞模式

{//未能設(shè)置socket的處理}

he=gethostbyname("");//serveraddress

Server_addr.sin_family=AF_INET;//TCP/IP

Server_addr.sin_port=htons(Server_Port);

Server_addr.sin_addr=*((structin_addr*)he-h_addr);

memset((Server_addr.sin_zero),0,8);

ConnectReturnFlag=connect(SO_5510,(structsockaddr*)Server_addr,sizeof(struct

sockaddr));//建立連接

if(ConnectReturnFlag==0)

{//建立連接成功的相應(yīng)處理}

else

{//建立連接失敗的相應(yīng)處理}

}

3.3接收數(shù)并處理子程序

5510接收到數(shù)據(jù)包后首先分析數(shù)據(jù)包內(nèi)的命令字。本系統(tǒng)中設(shè)計的命令字有開始采集、停止采集、檢查連接、有效數(shù)據(jù)等。如果是前三種命令則立即執(zhí)行，如果是“有效數(shù)據(jù)”命令則打開數(shù)據(jù)包后面的內(nèi)容（可能包含多個子包），子包內(nèi)包含開關(guān)量、模擬量等若干子命令，程序根據(jù)不同子命令執(zhí)行相應(yīng)子程序。程序主體示意如下。

voidReceiveAndProcess()

{if((numbytes=recv(SO_5510,(char*)RECVITEMS,sizeof(RECVITEMS),0))==

SOCKET_ERROR)

{//沒有接收到數(shù)據(jù)的處理}

if(numbytes0)//收到數(shù)據(jù)后的處理

{switch(RECVITEMS.Command)//判斷命令字

{caseScollectstart://開始采集命令

SendCommand(CReplyCollectStart);//表示收到開始采集命令

break;

caseSsendgroupdata://有效數(shù)據(jù)指令

{for(CircleNum=0;CircleNum{switch(RECVITEMS.Items[CircleNum].Command)//判斷子命令

{caseSsendoneDOdata://server發(fā)送的開關(guān)量單字節(jié)指令

WriteOneDOChannel(RECVITEMS.Items[CircleNum]);

break;

caseSsendoneAOdata://server發(fā)送的模擬量單字節(jié)指令

WriteOneAOChannel(RECVITEMS.Items[CircleNum]);

break;

default:break;

}}}

default:break;

}}}

3.3數(shù)據(jù)采集發(fā)送子程序

為了降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，PAC控制器只向服務(wù)器發(fā)送狀態(tài)發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，而狀態(tài)沒有發(fā)生變化的數(shù)據(jù)則不發(fā)送。同樣，服務(wù)器通信程序SimuTrans只向PAC控制器發(fā)送模型計算后發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。

為了保證數(shù)據(jù)不會丟失，針對不同種類的數(shù)據(jù)采用了不同的發(fā)送、回送方式。在該模擬器中，輸入的模擬量為艇員操作面板上的旋鈕時帶動內(nèi)部的電位器產(chǎn)生0~10V的模擬電壓信號，由于其操作是連續(xù)過程，操作過程會產(chǎn)生一系列變化數(shù)據(jù)，因此5017H采集到的變化數(shù)據(jù)直接發(fā)送到服務(wù)器即可。對于操作按鈕、多位開關(guān)等部件產(chǎn)生的開關(guān)量數(shù)據(jù)，為了避免數(shù)據(jù)丟失采用了重復(fù)發(fā)送，并且服務(wù)