摘 要：簡述了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制及分布式控制系統(tǒng)（DCS）的一般特點(diǎn)，并以某型水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了一種小型實(shí)時(shí)DCS系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān) 鍵 詞：實(shí)時(shí)控制; 分布式控制系統(tǒng); 雙端口存儲器; 串行通訊

1 引言 　　

自七十年代以來，以微機(jī)為核心的分布式控制系統(tǒng)將現(xiàn)代科技的最新成就：計(jì)算機(jī)（Computer），通訊（Communication），和自動化控制（Control）技術(shù)（簡稱3C技術(shù)）集為一體形成集散控制系統(tǒng)，它采用危險(xiǎn)分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想、多層分級的結(jié)構(gòu)形式，使其可以勝任各種復(fù)雜實(shí)時(shí)控制的要求。

　　實(shí)時(shí)控制是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要而極富潛力的方面，它主要包含實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性兩大特點(diǎn)。實(shí)時(shí)性是指在控制系統(tǒng)中，控制行為必須在指定的時(shí)間內(nèi)開始和完成，信號要求按時(shí)序發(fā)送;多任務(wù)性是指系統(tǒng)中有多個(gè)獨(dú)立和/或半獨(dú)立的任務(wù)，同時(shí)分別執(zhí)行對不同信號的處理和對不同設(shè)備、不同過程的控制。某型水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)屬于典型的實(shí)時(shí)控制問題，要求在一個(gè)節(jié)拍（0.5秒）內(nèi)系統(tǒng)完成對各路傳感裝置的信息獲取、控制計(jì)算、推力分配、分發(fā)控制指令，為此自行設(shè)計(jì)了一個(gè)小型集散控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2 系統(tǒng)的工作流程 　　

如圖1所示，處在水下的三個(gè)單片機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理后再通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)（動力定位控制主機(jī)）;由兩臺聲納解算機(jī)單獨(dú)完成對多普勒測速聲納、定位測高聲納反饋的水聲信號的處理，然后再將所需機(jī)器人的速度信息和位置姿態(tài)信息通過RS-485串口發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)這些反饋信息作控制計(jì)算，然后將控制指令發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1 某型水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 　　

3.1 硬件設(shè)計(jì) 　　

根據(jù)分散控制、集中管理的設(shè)計(jì)思想并結(jié)合該課題的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了以動力定位控制主機(jī)為管理級計(jì)算機(jī)、以兩臺聲納解算機(jī)和主單片機(jī)為監(jiān)控級計(jì)算機(jī)、兩片從單片機(jī)為直接控制機(jī)的三級控制系統(tǒng)，其中主、從單片機(jī)均選用80c196kc。 　　

在傳感裝置的選用上，盡量選用抗干擾性強(qiáng)的智能傳感儀器，同時(shí)考慮到預(yù)研項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)情況，也用了一些常規(guī)的傳感器。另外，由于機(jī)器人外部有很多傳感器，而艙室空間又十分有限，因而本文參考現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)信息處理現(xiàn)場化的思想在機(jī)器人外部放置了一個(gè)單片機(jī)，完成這些傳感器數(shù)據(jù)的處理后再上傳給主單片機(jī)。試驗(yàn)表明，這種方案不僅可以緩解主單片機(jī)的工作壓力，實(shí)現(xiàn)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，還可以減少信號傳輸線上的共模干擾。 　　

控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是五臺推進(jìn)電機(jī)、舵、及縱橫傾調(diào)節(jié)裝置。其中縱橫傾調(diào)節(jié)裝置為24V力矩電機(jī)帶動滑塊移動從而調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的縱橫傾，經(jīng)高性能光電隔離芯片后與從單片機(jī)1并行口連接。在水下機(jī)器人的運(yùn)動過程中，隨時(shí)可能要改變推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以得到不同的推進(jìn)力，而變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的最理想方式。本系統(tǒng)采用臺達(dá)VFD-A/H型變頻器，它不僅可以實(shí)現(xiàn)各種轉(zhuǎn)速曲線，而且還具有過壓、過流、過熱等完善的保護(hù)措施。該變頻器與控制系統(tǒng)的接口為RS485串行口，一塊CPU最多可接32個(gè)變頻器。 　　

3.2 系統(tǒng)通訊 　　

從圖1中可以看出，該控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的多機(jī)系統(tǒng)，多機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和難題之一是信息共享，這一難題解決的好壞直接關(guān)系到控制系統(tǒng)能否順利實(shí)現(xiàn)對水下機(jī)器人的運(yùn)動控制。根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況和上位機(jī)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)隨動的要求，本文采用了并行通訊與串行通訊相結(jié)合的通訊方式，以下將簡要介紹這幾種通訊方式。

　　3.2.1 單片機(jī)1與五臺變頻器之間的通訊 　　

采用標(biāo)準(zhǔn)串行口RS485半雙工通訊方式，原理如圖2所示。其中，從單片機(jī)1作為主機(jī)，波特率為9600bps,奇校驗(yàn)，模式3方式,字符8位、起始位1位、停止位1位、1位地址/數(shù)據(jù)位，共11位。由于是點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊，因而采用地址位喚醒方式，五臺變頻調(diào)速器的地址分別是$00～$04。

圖2 從單片機(jī)1與變頻調(diào)速器間的通訊電路

圖3 主、從單片機(jī)間的通訊電路[/align] 　　

由于RS-485為半雙工通訊方式，同一時(shí)刻只允許CPU工作在發(fā)送（或接收）一種工作方式下，因而在從單片機(jī)1中設(shè)有發(fā)送/接收切換程序。在初始化時(shí)，將P2.6和P2.7清零使從單片機(jī)1串口只接收數(shù)據(jù)，以中斷方式接收變頻器數(shù)據(jù);在發(fā)送程序中，首先將P2.6和P2.7置位使從單片機(jī)1串口工作在發(fā)送方式，發(fā)送完畢后再將P2.6和P2.7清零，這樣就實(shí)現(xiàn)了從單片機(jī)1與變頻器之間的半雙工通訊。 　　

3.2.2 主單片機(jī)與從單片機(jī)1之間的并行通訊 　　

在圖1所示的控制系統(tǒng)中, 主單片機(jī)與從單片機(jī)1之間的通訊不僅通信量大而且為實(shí)現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)對控制器控制指令的滯后越小越好，因而宜采用并行通訊。在現(xiàn)今很多種并行通訊方式中，雙端口存儲器能以最小的軟、硬件代價(jià)實(shí)現(xiàn)高速、可靠的并行通訊，因而本文采用雙口RAM IDT7132作為主、從單片機(jī)的共享RAM來實(shí)現(xiàn)并行通訊，如圖3所示（注意圖中READYL與READYR的位置）[3]。由于雙端口RAM的特殊結(jié)構(gòu)使得雙機(jī)可以方便快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而大大減少了通訊所引起的滯后，為實(shí)現(xiàn)隨動控制提供了可能。如果要構(gòu)成2K×16位雙口RAM，再加一片IDT7142即可。 　　

3.2.3 主單片機(jī)與動力定位控制主機(jī)之間的串行通訊 　　

通訊電路圖與圖2相仿，只不過為提高通訊速率將RS485二線制通訊方式改成了RS422四線制通訊方式，收發(fā)器由MAX485換成了MAX490。 　　

在主單片機(jī)一側(cè)，由于要發(fā)送的信息很多（共有107個(gè)字符）因而在程序中將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分成兩組，每一組分別設(shè)有協(xié)議頭和校驗(yàn)和，根據(jù)上位機(jī)通訊控制字符（分別是55H和66H）的不同來確定發(fā)送哪一組數(shù)據(jù)。在上位機(jī)一側(cè)，由于上位機(jī)要?jiǎng)討B(tài)顯示水下機(jī)器人的運(yùn)動姿態(tài)，接收各種設(shè)備的返回信息，如采用中斷信息接收方式，在同一時(shí)間每個(gè)下位機(jī)都向上位機(jī)發(fā)送信息時(shí)，會發(fā)生沖突導(dǎo)致信息丟失。為此，各下位機(jī)向上位機(jī)的信息傳輸要按照上位機(jī)的命令，整個(gè)系統(tǒng)按照統(tǒng)一節(jié)拍工作。當(dāng)上位機(jī)空閑時(shí)就按順序發(fā)送一個(gè)使能命令給第i個(gè)下位機(jī)，第i個(gè)下位機(jī)接到命令后立即將要上傳的信息發(fā)出，如果上位機(jī)沒有接到，則重新發(fā)送該使能命令。同時(shí)為了提高通訊的可靠性，在通訊的每一側(cè)將待發(fā)送字符拆為3xH的形式，再對所發(fā)送的這組數(shù)據(jù)進(jìn)行加和運(yùn)算以求出校驗(yàn)碼。通訊的另一側(cè)接收完一組數(shù)據(jù)后進(jìn)行求和校驗(yàn)，如校驗(yàn)和不正確，則該組數(shù)據(jù)作廢，等待下一組數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語 　　

本文設(shè)計(jì)了由上位PC機(jī)、下位PC機(jī)及單片機(jī)所組成的一種實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)，采用智能傳感儀器和常規(guī)傳感器相結(jié)合的信息獲取方式及變頻器的變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人的運(yùn)動控制。整個(gè)控制系統(tǒng)中動力定位控制主機(jī)用于通訊的時(shí)間最長，約為0.2秒，但仍遠(yuǎn)小于系統(tǒng)所要求的工作節(jié)拍（0.5秒），從而實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人位置姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取。該型水下機(jī)器人已經(jīng)完成了航向控制和定深控制實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該分布式系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制，為我國水下機(jī)器人的進(jìn)一步研究創(chuàng)造了條件。

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