軟件過(guò)程管理論文：基于VC的執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件過(guò)程管理論文：基于VC的執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)摘 要: 本文論述基于工業(yè)以太網(wǎng)通訊的監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議和上位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)所采用的通訊方式。根據(jù)系統(tǒng)和以太網(wǎng)相應(yīng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能夠及時(shí)準(zhǔn)確與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通訊控制的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件。經(jīng)過(guò)通訊測(cè)試實(shí)驗(yàn),證明該軟件是可行的并達(dá)到了通訊控制要求。關(guān)鍵詞: 以太網(wǎng);多臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu);通信協(xié)議1引 言電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)控制系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置,在電力,冶金,石油,化工等工業(yè)部門(mén)取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展有著逐漸代替現(xiàn)場(chǎng)總線的趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)總線有著本身的缺陷,開(kāi)放性不徹底使得市場(chǎng)上多種總線標(biāo)準(zhǔn)通行。相對(duì)來(lái)說(shuō),在開(kāi)放性上,以太網(wǎng)有著先天性的優(yōu)勢(shì)。如果以太網(wǎng)的控制能夠大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用于工業(yè)底層控制,則可實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接,實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的更大進(jìn)步。本設(shè)計(jì)正是在這種環(huán)境下提出的。目前的工業(yè)控制領(lǐng)域之中,隨著控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷增大,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的控制越來(lái)越成為主流趨勢(shì),針對(duì)單臺(tái)機(jī)構(gòu)的控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能符合現(xiàn)在的工業(yè)控制要求,對(duì)多臺(tái)機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制成為趨勢(shì)。在工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的大規(guī)模的系統(tǒng),其中運(yùn)行著多臺(tái)甚至多種型號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu),將這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接,并且對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,對(duì)不同型號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取不同的控制實(shí)現(xiàn),對(duì)不同的系統(tǒng)采取不同的控制策略,出現(xiàn)故障要做出相應(yīng)的判斷處理等。為了實(shí)現(xiàn)這樣的要求,就需要出現(xiàn)一套能夠基于以太網(wǎng)的多臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制軟件。2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)硬件構(gòu)架整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,上位機(jī)為PC控制,通過(guò)網(wǎng)卡連接集線器,每一個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有著相對(duì)應(yīng)的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊,串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊相當(dāng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的網(wǎng)卡,主要作用是串口與TCP通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊之間通過(guò)串口TTL電平方式進(jìn)行通訊,然后通過(guò)該模塊將電平信號(hào)以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)通過(guò)網(wǎng)線(通過(guò)HUB)發(fā)送到上位機(jī)。本設(shè)計(jì)采用的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上較為成熟的一款產(chǎn)品,它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,用戶利用它可以實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能。該產(chǎn)品用于串口和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸,為串口設(shè)備增加以太網(wǎng)口?？捎糜诖谠O(shè)備與主控計(jì)算機(jī)之間,或者多個(gè)串口設(shè)備之間的遠(yuǎn)程通訊。采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊分別與集線器相連,可以自組織一個(gè)容量在200以上電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大系統(tǒng),此規(guī)模在工業(yè)應(yīng)用中對(duì)于聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制已綽綽有余。2.2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)采用的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為SYJ系列角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主控芯片為Intel80196MC,執(zhí)行機(jī)構(gòu)與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊之間通訊通過(guò)TTL電平方式通訊,采用四個(gè)接口:輸入口RxD,輸出口TxD,電源Vcc及接地GND。如圖2所示;圖中執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控板80196的串行輸出與模塊的輸入RxD連接,主控板的輸入與模塊的輸出TxD連接,地線及電源線主控板與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊互相對(duì)應(yīng)連接。主控板中的80196MC與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的通訊采用異步通訊方式,一幀包含10個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。3通信協(xié)議PC端的控制信號(hào)主要是與以太網(wǎng)模塊之間的通信,采用Tcp協(xié)議套接字,模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的串口之間的通信采用自定義的通信協(xié)議。此協(xié)議中的信息幀主要分為兩種:數(shù)據(jù)幀與命令幀。它實(shí)現(xiàn)一般信息通信功能。數(shù)據(jù)幀包含一般的I/O信,而命令幀則包含控制、查詢及設(shè)置等命令。采用異步通信方式,一幀包含10位,8位數(shù)據(jù),1位奇偶校驗(yàn),1位停止,奇校驗(yàn),波特率4800bps。為了確保通訊的可靠性,采用校驗(yàn)和方式,對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。具體的實(shí)現(xiàn)分別在兩端程序中體現(xiàn)如下:如節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的握手幀,用于確認(rèn)連接是否正常。4軟件實(shí)現(xiàn)4.1 windows下軟件通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采用基于VC+6.0的WinSock編程。系統(tǒng)采用Client/Server模式。通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊的配置軟件,將該模塊設(shè)置成服務(wù)器模式,而主控計(jì)算機(jī)上的控制軟件部分為客戶端,每次啟動(dòng)由主控計(jì)算機(jī)主動(dòng)連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。客戶端和服務(wù)器采用面向連接的通信協(xié)議:控制計(jì)算機(jī)和模塊之間會(huì)建立一個(gè)虛擬連接這個(gè)連接一旦建立客戶端和服務(wù)器之間就可以把數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)雙向字節(jié)流進(jìn)行交換;如果連接建立不成功,則不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。另外,面向連接傳輸?shù)拿恳粋€(gè)報(bào)文都需要接收端確認(rèn)未確認(rèn)報(bào)文被認(rèn)為是出錯(cuò)的報(bào)文。該程序的編寫(xiě)按照以下步驟進(jìn)行(1)首先調(diào)用WSAStartup函數(shù)來(lái)初始化套接字庫(kù)。(2)調(diào)用socket函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)套接字。(3)調(diào)用connect函數(shù)連接服務(wù)器,發(fā)出連接請(qǐng)求。(4)服務(wù)器響應(yīng)連接請(qǐng)求后與服務(wù)器開(kāi)始進(jìn)行交互操作(接收發(fā)送數(shù)據(jù)等),直到請(qǐng)求結(jié)束。(5)調(diào)用closesocket關(guān)閉套接字,釋放套接字資源。(6)調(diào)用WSACleanup函數(shù)釋放相應(yīng)資源。由于將以太網(wǎng)模塊設(shè)置為服務(wù)器端,則上位機(jī)將采取主動(dòng)發(fā)送信息從以太網(wǎng)模塊獲取反應(yīng)信號(hào)的方法。而在以太網(wǎng)模塊的端口則設(shè)置函數(shù)Listen,對(duì)端口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng),當(dāng)其監(jiān)聽(tīng)到來(lái)自客戶機(jī)端的信息和請(qǐng)求時(shí),調(diào)用accept函數(shù)接收數(shù)據(jù),并接著調(diào)用connect函數(shù)建立與客戶端機(jī)的連接。具體流程可由圖2表示:4.2多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)控制軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)在于以太網(wǎng)通訊部分的實(shí)時(shí)性,工業(yè)應(yīng)用中首要考慮的便是信號(hào)可靠性和實(shí)時(shí)性的解決。由于系統(tǒng)由多臺(tái)且多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,同一時(shí)刻出現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)通訊是必須保證其可靠和及時(shí)的。設(shè)計(jì)使用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)通訊控制有著固有的優(yōu)勢(shì):1執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控板設(shè)計(jì)通訊模式為被動(dòng)應(yīng)答式,也就是只有當(dāng)80196MC從其RxD接口讀入數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這樣就會(huì)相應(yīng)的減輕以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通訊負(fù)擔(dān),同時(shí)由于以太網(wǎng)采用的是數(shù)據(jù)碰撞檢測(cè)技術(shù),一臺(tái)主動(dòng)(上位機(jī))與多臺(tái)被動(dòng)(執(zhí)行機(jī)構(gòu))可以避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的碰撞幾率。2簡(jiǎn)短的控制指令,本設(shè)計(jì)采用的控制指令包含了所需要的信息,但是仍然保持在20個(gè)字節(jié)以內(nèi),如此簡(jiǎn)短的指令可以使得應(yīng)用中完全忽略以太網(wǎng)延遲部分中的發(fā)送延遲。4.2.1數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)處于同一系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置優(yōu)先級(jí)可以更有序處理數(shù)據(jù)。如不設(shè)置則按照程序默認(rèn)設(shè)置處理。默認(rèn)設(shè)置為無(wú)特別指定優(yōu)先級(jí)的情況下,當(dāng)控制指令發(fā)出時(shí),在程序內(nèi)部對(duì)控制指令所包含的IP信息進(jìn)行比較,指令按照IP值由小到大的順序發(fā)出。本設(shè)計(jì)默認(rèn)優(yōu)先級(jí)IP值越小,其優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)需要特別設(shè)置優(yōu)先級(jí)時(shí),本程序內(nèi)置三個(gè)優(yōu)先級(jí)級(jí)別,實(shí)現(xiàn)方法采用對(duì)控制指令所附帶的IP地址進(jìn)行預(yù)處理,設(shè)置某臺(tái)機(jī)構(gòu)的優(yōu)先級(jí)別為最高時(shí),將其附屬I(mǎi)P值進(jìn)行縮小,然后進(jìn)行排序。程序內(nèi)置為三個(gè)優(yōu)先級(jí)級(jí)別。優(yōu)先級(jí)設(shè)置的必要性:對(duì)信號(hào)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置,可以使得上位機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)分出主從順序。例如:為了安全起見(jiàn),網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)先級(jí)默認(rèn)低于現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)別;報(bào)警、故障信號(hào)級(jí)別設(shè)置為最高,優(yōu)先處理;結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序處理。4.2.2設(shè)置指令存儲(chǔ)數(shù)組Temp當(dāng)系統(tǒng)中多臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),且需要查詢其運(yùn)行狀況時(shí),上位機(jī)需要在同一時(shí)刻發(fā)出多條查詢指令,如果不適當(dāng)處理,就會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)碰撞檢測(cè),導(dǎo)致通信失敗。如圖4,在程序內(nèi)部設(shè)置存儲(chǔ)數(shù)組Temp,將排序完成的控制指令依次放入數(shù)組,并按照優(yōu)先級(jí)即放入順序依次發(fā)送。如出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(校驗(yàn)和出錯(cuò)等)狀況,則程序默認(rèn)要求重發(fā),設(shè)置為三次,若三次全部錯(cuò)誤,則在上位機(jī)報(bào)警處理。5總結(jié)設(shè)計(jì)采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制,軟件控制基于VC,硬件選擇了成熟的以太網(wǎng)模塊,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確,高效的多臺(tái)機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制,擺脫了以往的基于單一機(jī)構(gòu)的控制,并且注重實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)可靠性和軟件適用性。通訊測(cè)試實(shí)驗(yàn),本監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)是可行的,并達(dá)到了通訊控制要求。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)處在網(wǎng)絡(luò)中的多臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有序、可靠的控制,解決了可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)擁塞和實(shí)時(shí)性問(wèn)題。在下一步的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中將盡量實(shí)現(xiàn)與組態(tài)軟件的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)互通。組態(tài)軟件在工控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得本控制軟件成為一個(gè)必須考慮的方面。市面上的組態(tài)軟件都會(huì)嵌入Modbus/tcp協(xié)議,部分組態(tài)軟件會(huì)留下數(shù)據(jù)接口,與其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通,并且兼容市面上的大部分組態(tài)內(nèi)置協(xié)議?？傊?隨著工業(yè)化得進(jìn)一步發(fā)展,以太網(wǎng)所存在的問(wèn)題得到進(jìn)一步解決,其在工控中的應(yīng)用將會(huì)日趨成熟和廣泛。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)處在網(wǎng)絡(luò)中的多臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有序、可靠的控制,解決了可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)擁塞和實(shí)時(shí)性問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1陽(yáng)憲惠工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)絡(luò)M北京:清華大學(xué)出版社,2003 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