WMS-2000A轮机模拟器数据通信系统设计与实现-孙俊.docx

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1、38 交通与计算机 2003 年第 2 期 第 21 卷 ( 总第 111 期 ) WMS- 2000A 轮机模拟器数据通 信 系统设计与实现 孙 俊 陈明昭 程树良 陈 辉 ( 武汉理工大学 武汉 430063) 摘 要 文章详细介绍 了 WMS-2000A 远洋船舶 轮 机模 拟 训练 器 数据 通 信系统 的 硬件 组 成 和数据通信程序设计与实现方法 , 该 系统 成 功地 保 证了轮 机 模拟 器 中数 据 传输 的 实时性 、 高 效 性 和安全性。 关键词 轮机模拟器 数据通信 设计与实现 Abstract: This paper describes the design and

2、 realization of both the data communication hardware system and the data communication program of the marine simulator developed by Wuhan University of T echnology. This system can ensure the rea-l time, efficient and secure data trasmission in the simulator. Key words: marine simulator; data commun

3、ication system; design and realization 0 引 言 WMS- 2000A 轮机模 拟 器设计 成 一个 基 于 分 布式控制系统 ( DCS) 的实时仿真系 统 , 它由现场 设备 ( 操 作 盘 台 ) 、 I/ O 接口 系 统 、 计 算机设 备 和 通 讯设备等组成 , 如图 1 所示。 图 1 WMS- 2000A 远洋船舶轮机仿真训练器系 统 系统上层有 1 台惠普服务器作仿真主计算机 ( 兼作教练员控制台计算机 ) , 用来存放仿真对象 的数学模型及控制程序 , 控制整个仿真系统的实 时运行 ; 中层有 1 台接口计算机作接口管理 , 1 台

4、 声响仿真计算机用 来模拟船舶机 舱环境噪声 , 4 台计算机作集控台集中监控计算机 ; 下层有数个 I/ O 接口机箱 , 通过 信号电缆线与操作盘台设备 相 连 , 整 个 系 统 另 配 置 各型 打 印机 ( 3 台 ) 、 操 作 盘 台 、 功 率 放 大 器 以 及 音 箱等 外 部设 备 , 组成 一 个 3 层构造的集散型分布式计算机网络系统。 收稿日期 : 2002- 10- 22 1 数据通信硬件系统设计及实现 1. 1 轮机模拟器中下层 I/ O 接口系统 轮机模拟器对大型远洋船舶的整套动力装置 进行了全功能实时计算机数字仿真 , 共有硬件操 作 盘 台 上 的 2 0

5、00 余 个 I/ O 接 口 点 的 输 入 、 输 出 数 据 , 它们必须以较高的频率在数学模型计算的仿 真主计算机中传输 , 为使仿真主计算机及时读取 操 作 数 据 , 进 行 模 型 计 算 , 并 用 新 的 计 算 结 果 刷 新 硬件操作盘台上的输出显示 , 保证轮机模拟器具 有良好的计算精度并实现实时仿真 , 为此 , 我校研 制开发了一套分布式智能输入 / 输出接口控制系 统 , 简称 MSCIS( Marine Simulat ion & Control Interface System) 。 MSCIS 接 口 控 制 系 统 由 一个 上 位主 控 计 算机 ( 以

6、下简称接口计算机 ) 和数个下位 I/ O 接口 机箱组成 , 系统连接框图如图 2 所示。 高速智能通信卡采 用 PC 总线接 口标准 , 直 接插在上位主机机箱中 , 板卡上配置有高速现场 总线 CAN 串行通信接口 , 用来连接 I/ O 接口机箱 的主控制卡 , 上下传输信息。下位接口机箱配有 电源及 17 个插槽 , 第一个插槽 ( Slot0) 中放置主控 制卡 , 其余 16 个插槽 ( Slot 1 16) 供其它下位功能 板卡使用。主控制卡上设有接口总线 , 通过总线 和 16 个插槽中的下 位功能卡并 行通信和 控制。 每条 CAN 通信链路中 , 可连接多个机箱。 接 口

7、 计算 机 集中监控 、 管理通信链 路 中各 个 下位 I/ O 接口机箱 , 主要功能是对 MSCIS 接口控 WMS- 2000A 轮机模拟器数据通信系统设计与实 现 孙 俊 陈 明 昭 程树 良 陈 辉 39 图 2 分布式智能输入输出接口控制系统 制系 统 进 行 组态 、 配置 、 在 线 控 制 , 并 实 时 监 控 MSCIS 通信网络上各个节点的情 况 ; 接口机箱直 接连接控制盘台或其它硬件设备 , 分散控制接口 系统的各个输入输出通道 , 接口机箱中的下位功 能板卡支持 5 种不同类型 板卡 : AI 板 ( 模拟量输 入 ) 、 AO 板 ( 模拟量输出 ) 、 DI

8、O 板 ( 通用数字量 输 入 、 输 出 ) 、 单 DI 板 ( 数字量输入 ) 和 单 DO 板 ( 数 字量输出 ) , 各个功能板卡独立工作 , 互不干涉 , 其 中一个输入或输出通道出现故障不会影响其它的 输入或输出通道正常工作 , 主要功能是完成对现 场 I/ O 处理并实现直接数字控制 , 包括数据采集 和 处 理 、 数 据 转 换 等 功 能 。 1. 2 轮机模拟器中上层计算机网络系统 轮机 模 拟 器中上层的 仿 真主计算 机 、 接口 计 算机 和 监 控专 用 计算机 均 采 用 SCO UNIX 操作 系 统 , 声响仿真计算机则采用 Windows 操作系统 ,

9、 组 成一个多操作系统的小型总线以太局域网 , 其计 算机网络拓扑结构参见图 1。 2 数据通信程序设计及实现 在轮机模拟器中 , 数据通信流程如图 3 所示。 接口机箱中的下位功能板卡可按接口机箱中 的主控制卡发来的指令接收或发送数据 , 可以极 高的速率刷新硬件盘台的输出指示 , 可采集硬件 盘台的输入并对所采集的数据进行处理。 图 3 WMS-2000A 远洋船舶轮机仿真训练 器 数据通信流程图 通过接口机箱的主控制卡 , 接口计算机通信 卡定时采集各个接口机箱中下位功能板卡的输入 数据 , 并存入它自己的数据缓冲区中。在接口计 算机的控制下 , 把上述数据以块传输的方式送给 主机 ,

10、并随时接收接口计算机下发的数据 , 传输给 各个下位功能板卡。 在仿真主计算机中 , 接受接口计算机传送的 数据 , 进行模型计算 , 并将计算结果返传回接口计 算机 , 同时 , 也将计算结果送给监控计算机和声响 仿真计算机。 上述数据通信的操作由相应的程序来完成。 2. 1 通 信卡 、 主 控 制 卡 和 下 位 功 能 板 卡 的通 信 软 件设计与实现 MSCIS 接口系统通信卡和主控制卡软件全部 采用 ASM96 宏汇编语言设计 , 直接利用 CPU 的硬 件特性进行程序设计。一块通信卡和数个接口机 箱用 CAN 通信链路串行连接构成一条链路 , 即一 块通信卡可以代表一条通信链路

11、。在 CAN 通信 链路中 , 采用多级通信方式 , 通信协议采用令牌 + 数据块的帧结构 , 传送令牌时 , 所有机箱都可以接 收 , 但只有获得令牌的机箱才可以接收后面的数 据块 。系统 把 每一个机箱 的 DO 、 DI、 AO、 AI 定 义 为一个数据帧。通信卡和接口机箱的主控制卡的 通信采用这种主机发送消息的机制 , 即主机广播 点名的方式 : 消息在整个 CAN 链路中传播 , 点到 名的接口机箱的主控制卡才响应回答通信卡 , 握 手成功后开始与本链路的通信卡进行数据交换 ; 未点到名的接口机箱的主控制卡不做反应 , 继续 保持各自工作 ; 但是 , 作为下位机接口机箱的主控 制

12、卡如果没有收到上位主机通信卡的命令要求 , 不能主动向通信卡发送消息。这种通信方式始终 保持了上位主机通信卡的主动性 , 下位接口机箱 主控制卡必须接收到通信卡的命令才能向通信链 路发送 / 接收消息。同一通信链路 , 上位主机的通 信卡依次和各个下位 接口机箱主控 制卡交换数 据 : 组态接口系统和定时刷新 I/ O 数据。 上位主机的通信卡与接口机箱的主控制卡的 通信协议和规则为 : 1) 通信卡通信波特率与接口机箱主控制卡要 设置相同 , 否则通信出错。 2) 通信卡向 CAN 通信链路打包发送头地址 帧 , 等待下位接口机箱主控制卡 收听 后响应回 复 ; 头地址帧是由机箱地址装入一个

13、字节的高低 各 4 位组成。 3) 接口机箱主控制卡接收到头地址帧后 , 解 包分析地址 , 点名正确的主控制卡打包应答帧 , 回 40 交通与计算机 2003 年第 2 期 第 21 卷 ( 总第 111 期 ) 复上位主机通信卡。主控制卡应答帧是机箱地址 和主控制卡状态字的组合 , 通信卡从应答帧中可 获得主控制卡的工作状态 , 判断下位机箱状态 , 记 录 故 障 , 预 备刷 新 I/ O 点 , 以 便 正确指 导 数据 通 信。 4) 下位接口机箱主控制卡必须先配置组态 , 方可开始刷新接口机箱功能板卡的 I/ O 点数据。 5) 通信卡对某个接口机箱进行一次 I/ O 数据 刷新

14、后 , 最后要发送 通信结束 帧 , 使这个接口机 箱的主控制卡退出串行通信过程。通信卡打包下 一个机箱的头地址帧 , 准备刷新下一个接口机箱 的 I/ O 点数据。 通信卡根据这个设计的通信规则 , 在软件定 时器 0 的中断服务期间 , 依次刷新整个链路的各 个接口机箱 I/ O 点数据 , 完成一次链路的刷新循 环。通信协议中具体的命令字节格式和数据格式 和传输数据的类型相关 , 通信握手过程就是通信 规则解析过程。 2. 2 计算机之间通信程序设计及实现 轮机 模 拟 器 的 计 算 机 网 络 按 照 TCP/ IP 协 议 , 通过以太网进行数据通信。 2. 2. 1 仿 真 主

15、计 算 机与 接 口 计算 机 、 监控计 算 机 通信程序设计及实现 图 4 服务器程序与客户端程序的运行图 仿 真 主计 算 机与接口计算 机 、 监控 计 算机 均 采用 SCOUNIX 操作系统 , 网络 通信采 用 TCP/ IP 协议 , 采用 socket ( 套接字 ) 编程 , 采用客户机 / 服 务器模型 ( Client/ Server, 即 C/ S) 。在仿真主计算 机与监控计算机之间 , 仿真主计算机作计算机网 络通信的服务器端 , 监控计算机作客户机端 ; 仿真 主计算机的服务器程序用 C 语言编写 , 以后台方 式运行 , 服务器程序的运行如图 4 所示 : 当

16、服务器 执行侦听 listen( ) 函数后 , 系统阻塞 , 等待客户连 接 ; 当接收到客户的连接信号后 , 执行连接 accept ( ) , 然后进入定时数据发送循环。监控计算机端 程序也用 C 语言编程 , 客户端程序的运行如图 4 所示。仿真主计算机与接口计算机构成另一对客 户机 / 服务器模型 , 不过 , 在此系统中 , 接口计算机 作为服务器 , 仿真主计算机作为客户机。 2. 2. 2 仿真主计算机与声响仿真计算机通信程 序设计及实现 由于 SCO UN IX 操作系统不 支持声卡 驱动 , 为了使用多媒体技术 , 更加逼真地模拟机舱内设 备的工作状 态 , 故声响仿真计算

17、机 采用 Windows 操作系统。机舱声响仿真首先要求声音播放系统 输出的声音必须与机舱设备的工作状态同步 , 不 同的工作状态应输出与其相对应的声音 , 要具有 实时性。因此 , 在播放声音时先要取得机舱设备 的 工 作 参 数 ( 如 主 机 的 转 速 、 发 电 机 运 行 状 态 等 ) , 这些参数由仿真主计算机产生并存入共享数据库 中 , 声响仿真计算机必须通过计算机网络通信实 时地从仿真主计算机的共享数据库中获取必要的 数据。 仿真主计算机与声响仿真计算机的网络通信 仍采用 TCP/ IP 协议 , 采用 socket( 套接字 ) 编程 , 采 用客户机 / 服务器模型 (

18、 Client/ Server, 即 C/ S) , 仿 真主计算机作服务器 , 声响仿真计算机作客户机 端 ; 服务器端程序的运行仍如图 4 所示 , 声响仿真 计算机端程序则用 Visual C+ + 编程 , 利用 MFC ( Microsoft Founder Class Library ) 中提供 的 CSocket 类 的 成 员函 数 Receive、 Send、 Listen 和 A ccept 等 来 实现数据通信。 3 结 论 上述计算机网络实时通信系统已成功运用到 上海海运学校和集美 大学等单位的 轮机模拟器 中 , 实际运行效果良好 , 保证了轮机模拟器中数据 传 输 的 安 全 性 、 高 效 性 和 实 时 性 参考文献 1 程树 良 MS-1 型远洋船舶轮机仿真训练 器 的 I/ O 接 口 系统 武汉交通科技大学 学报 , 1998( 1) 2 张卓 , 陈辉 轮机仿 真器局 域网络通 信程 序设计 武 汉交通科技大学学报 , 1998( 1) 3 程树良 轮机模拟器局域 网络中的机舱声响仿真 交 通与计算机 , 2001( 2) 4 付睿 MSCIS 智能接口 控制系统 硬软 件设 计研制 武 汉 : 武汉理工大学硕士论文 , 2002