基于分布式管理的水下专用测控系统.pdf

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1、第３７卷第１期杭州电子科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１２０１７年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）Ｊａｎ．２０１７ＤＯＩ：１０．１３９５４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｄｕ．２０１７．０１．００１基于分布式管理的水下专用测控系统刘敬彪，厉轲（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州３１００１８）摘要：针对新型海底取样设备对运行过程稳定性和测控多样性需求的提升，设计了一种基于分布式管理的水下专用测控系统．系统通过功能划分将整体转化为一组特定的功能模块，各模块搭载隔离ＣＡＮ收发器并以板卡接入的方式连接到ＣＡＮ总线网络中

2、，以此建立以主控板卡为核心的集中管理、分散操作的集散式测控结构．测控结构良好的接入能力与扩展性使得系统能够便捷地实现功能的扩充．系统拥有自检能力，能实时监测自身电能与外部系统控制状态．测试结果表明，系统能稳定高效地运行并完成各项测控功能．关键词：分布式管理；测控；板卡接入；可扩展性；自检中图分类号：ＴＰ２７４＋．２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９１４６（２０１７）０１－０００１－０５０引言水下取样设备是开展海洋地质及环境科学研究、海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必备的［１］关键技术装备．随着设备不断改进，对其测控系统功能的多样性和稳定性提出了更高的要求．传统测控系统如模拟仪表

3、测控系统，测控分散、精度低且易受到干扰；集中式数字测控系统可实现统一调度与管理，但其对核心单元的处理能力要求极高，在复杂的环境下无法高效运作，系统容错能力与扩展能力［２］较差．本文设计的基于分布式管理的水下专用测控系统很好地弥补了这些不足．系统由测控级和监控级组成多级测控，其核心理念包括集散式测控、分级管理、灵活组态与配置等．相较于传统测控系统，其将单个分立的测控系统变成网络节点，并以主控节点为管理，以ＣＡＮ总线为纽带，将它们连接成为可以实现信息互通、共同完成测控任务的分布式测控系统．ＣＡＮ总线能够保证节点间数据通信的实时性，［３－４］且其拥有良好的容错控制能力，保证了系统的灵活性与

4、可靠性．１系统设计系统整体结构如图１所示．系统分为水下测控系统和甲板监控系统．水下测控系统采用板卡接入的设计方式，其中主控板卡作为系统的核心处理单元，负责水下系统的运行管理，实现数据的交互．电源管理板卡、继电器控制板卡和采集板卡组成基本功能板卡．甲板监控系统包括监控上位机和甲板光纤通信机．水下系统与甲板系统之间采用光纤通信．系统工作原理如下：采集板卡负责模拟量和数字量采集，并将采集数据发送至主控板卡，由主控板卡负责预处理并上传至监控上位机，上位机完成数据最终处理；上位机的控制请求通过主控板卡解析并发送至继电器控制板卡，完成对外部系统的控制．主控板卡与上位机的数据交互采用串口通信，并提

5、供了网络通信的条件以便系统后续深入优化．水下测控系统内部则采用基于ＣＡＮ总线的分布式体系结构，各总线节点独立负责其各自的任务，从而减轻主控单元的工作［５］负担，并能保证数据传输的实时性和可靠性．当需要增加功能板卡时，只需将其接入总线网络，即可便捷实现系统功能扩展．各板卡均搭载统一的隔离式ＣＡＮ收发模块并配合隔离电源，为ＣＡＮ控制器提收稿日期：２０１６－０９－１８基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２０１１ＡＡ０９０４０１）作者简介：刘敬彪（１９６４－），男，江西吉安人，教授，深海电子监控．２杭州电子科技大学学报（自然科学版）２０１７年［６］供差分收发能力．基于系统

6、的灵活性和扩展性，扩展板卡的类别可以根据应用需求而定．例如，在水下传感器需求较多的场合，可添加采集板卡以扩展系统的采集功能；在机械系统复杂的场合，可添加继电器控制板卡以扩展系统的控制功能．图１系统框架为实现系统自检，本系统在电源部分添加了电源管理功能，实时监测系统供电电能；在继电器控制部分应用闭环检测结构，向监控系统实时反馈控制状态与输出状态，增强了系统的可靠性与可维护性．２硬件设计本文采用模块化的设计思想，将不同功能分解并集成到对应的功能板卡上，板卡以节点的形式接入ＣＡＮ通信总线，建立分布式测控系统结构，在主控板卡的管理下，各板卡分工协作，互不干扰．硬件设计遵循通用性原则，各板卡均

7、采用与主控系统同样的核心处理芯片，ＣＡＮ收发控制采用相同的隔离收发［７］器来设计．２．１主控管理主控板卡作为系统的核心管理单元，除采集系统姿态数据以外，并不直接参与系统的对外控制和数据采集，这从很大程度上减轻了其负担．主控ＭＣＵ采用ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＥＴ６．该ＭＣＵ采用Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４内核，最高主频可达１６８ＭＨｚ．主控系统以性能良好的主控ＭＣＵ为基础，配置了丰富的外部资源，包括网口、以太网ＰＨＹ芯片、外部ＳＲＡＭ、外部Ｆｌａｓｈ、ＴＦＣａｒｄ、六轴姿