基于以太网的汽车试验设备分布式测控系统设计

摘要：随着汽车工业的发展，汽车测试设备日益复杂化、分散化、大型化，对设备的可靠性、控制精度、试验效率的要求越来越高，基于以太网的分布式测控系统符合汽车测试技术的发展要求，嵌入式控制技术和以太网总线控制技术的引入实现了分布式测控系统的关键功能。高可靠性的分布式、模块化测控系统是当前汽车试验设备测控系统的发展方向。

关键词：以太网 分布式测控系统 嵌入式

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）09-0000-00

Abstract：Ethernet-based distributed measurement and control system meets the development requirements of automotive testing technology， the introduction of embedded technology to achieve the key functions of the distributed measurement and control system. High reliable distributed and modular measurement and control system is the development direction of the test and control system of automotive testing equipment at present.

Keywords：Ethernet；distributed measurement and control system；embedded

1 引言

汽车试验设备是通过测量和控制的过程，对被测试的整车或零部件的物理、化学、工程技术等方面的参量、特性等进行数值测定，从而取得试验对象的定性或定量信息。

汽车测试技术是随着汽车工业的发展而发展的。如今，汽车工业的发展越来越快，汽车已由过去单纯的代步发展成为具有军事、探险、采矿、工程施工、旅游、运输等多种不同用途及满足人们出行、娱乐、休闲等各种不同要求的多功能产品，因此，多样化和发展迅速的汽车行业对汽车试验设备的性能提出了更高的要求和标准，汽车试验设备必须不断地完善和升级，为了适应新的试验方法、提高试验精度和降低试验成本，必须有功能更强、精度更好、试验效率和可靠性更高的汽车试验设备以取代传统的、落后的设备。

汽车试验设备的发展趋势和主要特征有：（1）自动化程度越来越高，设备更智能，管理和使用更加方便；（2）功能集成，信息共享；（3）在试验室再现各种真实的试验环境；（4）高精度、高效率。

综上所述，汽车试验设备的复杂化、分散化、大型化使得传统的集中式控制方式已经不能满足目前的测控需求，采用分布式、网络化、多处理器协同控制的方式已刻不容缓。

2 基于以太网的分布式测控系统的特点

分布式测控系统是一个通过把分布在不同地理位置的具有独立功能的测控单元连接起来，以达到测控资源管理、协同工作、分散操作、集中管理、测量过程监控和设备诊断等目的工业计算机测控系统。分布式测控系统自20世纪90年代开始占据主导地位，其核心思想是集中管理、分散控制，上位机用于集中监控管理，若干台下位机则下放分散到现场，实现分布式测量与控制，上、下位机通过控制网络实现信息传递。因此，这种分布式测控系统有力地克服了集中式数字测控系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。分布式控制的实现得益于网络技术的发展和应用，目前，应用较广的分布式测控系统是由多个具有控制和处理能力的现场测控子系统（如ARM、单片机、DSP、FPGA等嵌入式设备）和一个集中的数据处理中心（PC、工作站或SMP）组成的，它们之间通过网络交换信息和互相联系，共同完成测控任务。

以太网是标准的开放式网络，是当今局域网采用的最通用的通信协议标准，具有很高的通信速率，组网灵活方便，以其协议开放、兼容性、稳定性和可靠性好而获得了广泛的技术支持，得到了迅速发展，逐渐成为工业控制网络发展的主流技术。

将基于以太网的分布式测控系统引入汽车试验设备能够克服传统试验设备电控部分的种种缺陷、提升产品性能、符合汽车试验设备的发展趋势，该控制系统主要具有以下特点：

（1）可扩展性：能够随着需求的不断提高对系统进行扩展和演变；

（2）开放性：数据资源共享，系统中的各网络节点采用局域网方式通信，可以从一个节点访问整个系统的资源，实现信息传输、数据和文件交换以及设备共享；

（3）大数据量：测控系统能灵活应对某些数据处理量特别大的测控任务，产生大量的实时数据；

基于以太网的分布式测控系统所具备的功能：

（4）现场测控功能：负责将各种需要的物理量进行采集，并对数据进行初步处理；

（5）数据存储功能：将各物理量数据进行保存以供分析和研究；

（6）系统管理功能：提供用户友好的操作界面，用户能够根据需求配置系统参数、及时发送控制命令；

（7）逻辑控制功能：根据用户需求或试验流程对整个系统进行逻辑控制；

（8）运动控制功能：根据设定要求对试验台的运动机构进行精准控制；

（9）通信功能：负责通过以太网连接测控系统各节点，并传递信息；

（10）监控功能：负责对整个试验系统的安全性进行监控，检查和诊断整个系统运行状态。

3 系统设计

3.1 系统网络架构设计

本设计旨在构建一个通用的测控系统，通过对各种网络功能节点的灵活配置，使该系统能够适应多样的测控要求，应用到各种汽车试验台架上。在系统网络架构的设计上采用层次化模块设计思想以保证其通用性、灵活性、可移植性和易集成性。整个网络架构分为四个层次，包括基础层、功能层、管理层和应用层，其中基础层和功能层由各种智能嵌入式模块实现，管理层和应用层包含在用于管理和监控的PC机中。

（1）基础层：主要负责各种数字量信号（继电器触点状态、控制过程状态等）和传感器（拉压力、位移、扭矩等）数据采集、控制命令的底层信号输出（模拟量或数字量）以及数据预处理的工作，由嵌入式微处理器（MCU）和高精度采集和输出芯片及其器件共同完成。同时在本部分加入了各种激励源，可在必要时为传感器提供激励。

（2）功能层：该层为整个系统的分散化、智能化、模块化和灵活性提供了功能保证，是本系统的核心和关键，由嵌入式智能控制模块组成。功能层能够对基础层所采集的各种数据进行组织管理和动态监控，同时根据需求对数据做进一步的运算处理和逻辑控制；具有网络通信的功能，可以与上位机或其他网络节点进行数据交换；能够完成试验台所需的多种控制任务（试验过程逻辑控制、伺服电机控制、PID控制、变频器控制和调节等）；能够根据设置实现过程监控和报警等安全功能；该层的多个智能控制模块在完成任务的过程中能相互协调，协同工作。

（3）管理层：由PC机中的上位机控制软件实现，主要负责对试验台测控任务的划分和管理，对智能控制模块进行管理和配置，对各控制模块上传数据进行集中处理，向上层提供用户接口。实现管理层的上位机控制软件主要由测控任务管理模块、嵌入式智能控制器管理与配置模块、数据管理模块、用户接口和安全模块组成。测控任务管理模块接收用户制定的测控任务，制定任务完成计划，进行任务分解和任务状态管理。嵌入式智能控制器管理与配置模块主要负责功能层中各个智能控制模块的配置、控制、协调和管理。数据管理模块负责系统各部分数据的显示、监控和存储及数据库管理。用户接口为用户提供访问和操作整个测控系统（也即试验台架）的操作界面。安全模块主要提供必要的网络安全服务，如访问控制和身份认证等功能。

（4）应用层：主要由用户应用平台组成（包含在上位机控制软件中），以图形化界面为用户提供设计、构建测控系统的应用平台，通过管理层提供的用户接口与整个分布式测控系统进行交互。

3.2 以太网卡设计

以太网卡是整个分布式测控系统功能实现和流程控制的基础和关键。

3.2.1以太网控制电路

以太网控制电路以增强型单片机C8051F120和以太网控制芯片CP2200为构架，CP2200实现以太网物理层协议，C8051F120对CP2200进行访问和控制。

CP2200是集成了符合IEEE 802.3标准的以太网媒体访问控制器（MAC），10Base-T物理层（PHY）收发器（包括接收器、发送器、自适应、环回、jabber、智能静噪、极性纠正和连接完整）和8KB非易失性FLASH存储器的单芯片以太网控制器。

C8051F120使用Silicon Lab的专用CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大提高，70%的指令执行时间为1个或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个周期，内部集成PLL，最大的系统时钟频率能达到100MHz。提供20个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。

图1 C8051F120和CP200接口电路

将F120的高端口配置为外部数据存储器接口（EMIF），端口P7为8位数据线接口，端口P6为8位地址线接口，P4.7为写选通信号WR，P4.6为读选通信号RD，P4.5为复位信号RST，P5.7为片选信号CS。CP2200通过并行接口采用非复用INTER方式与F120连接，F120将CP2200作为外部存储器进行访问；如图1所示。

3.2.2以太网通讯软件设计

初始化成功后，MCU就可通过并行总线控制CP2200的直接和间接寄存器实现以太网数据帧的发送和接收。CP2200拥有2K的发送缓存和4K的接收缓存，发送缓存和接收缓存共享相同的地址空间，都通过RAMADDRH：RAMADDRL指针来存取。采用IEEE802.3以太网协议，帧结构如图2所示，物理层数据收发操作均按照这个帧格式进行。

图2 以太网数据帧结构示意图

CP2200提供了一个发送以太网数据包的简单接口，MCU只需将源地址、目的地址、长度/类型和数据加载到发送缓冲区即可，所有其他IEEE802.3要求，如前同步码、帧开始定界符、CRC和填充（如果需要），都是自动生成的。数据包发送控制流程如图3所示。

图3 以太网数据包发送流程图

CP2200有4KB的循环接收FIFO缓冲区和8个转换表缓冲区（TLB），能同时存储8个数据包。每个TLB保持一个接收包的起始地址、长度和其他信息。初始化完成后，并且接收缓冲区、过滤器和哈希表也完成初始化，CP2200即准备好接收以太网包。MCU按下图4所示流程读取数据包。

图4 以太网数据包接收流程图

3.3 嵌入式控制模块与测控系统组建

分布式测控系统的构建必然会引入嵌入式系统，嵌入式系统的飞速发展和广泛应用也大力推动了分布式测控系统的发展。嵌入式微控制器以微处理器内核为核心，在芯片内部集成了RAM、总线、总线逻辑、ROM等各种功能部件和片内外设。微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，更加适用于分布式测控系统的发展和控制要求，并且能够降低功耗和成本，提高可靠性。本设计中，针对汽车试验设备这一测控对象，应用了多款微处理器，以此为基础设计了多种嵌入式控制模块，各模块能够随意组合以实现不同的功能、满足不同的测控要求。

3.3.1 嵌入式控制模块

如前所述，嵌入式控制模块负责实现本测控系统的基础层和功能层。设计中主要使用了Silicon Lab的增强型单片机C8051F120和C8051F040、Infineon的16位单片机XC2331D、NXP的ARM7内核芯片LPC2478。

C8051F120采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大提高，70%的指令执行时间为1个或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个周期，内部集成PLL，最大的系统时钟频率能达到100MHz，适用于执行对速度要求较高的控制任务。片内集成两个通道的12位模拟量输出，满足大部分情况下的模拟量信号要求。

C8051F040是高度集成的混合信号SOC级微控制芯片，本系统对它的引入主要是使用其片内集成的多种数字外设，如控制器局域网（CAN2.0B）控制器、100ksps的12位ADC等。

Infineon的XC2331D为汽车级的微处理器，16位控制和数据总线，具有两个CAN控制器，主要适用与安全控制方面的应用。本系统中主要应用在EPS专用测试设备的控制器上。

LPC2478具有ARM7TDMI-S内核，具有160个GPIO，包含10/100M以太网媒体访问控制器（MAC）和USB控制器，设计中主要应用于高精度、多通道的模拟量采集和数字量控制的集成度较高的多功能控制器。

主要嵌入式控制模块功能介绍：

（1）16位16通道模拟量采集模块，最高采样速度可达单通道3ksps，带两路12位模拟量输出通道；

（2）10位8通道高速模拟量采集模块，最高采样速度可达单通道50ksps；

（3）闭环控制模块，嵌入PIDF闭环控制算法和多种常用控制波形，8个模拟量反馈通道，运算速度可达3000次/秒，完全满足常规闭环控制系统要求；

（4）伺服电机控制模块，能够同时对4个轴的步进电机或脉冲控制型伺服电机进行位置、速度和插补控制，输入输出采用光耦隔离；

（5）EPS测试专用控制器，具有EPS测试所需的各种总线连接（CAN总线、K线）和信号要求（PWM、方波信号、数字量输入输出、模拟量输入输出等）；

（6）多功能测控模块，多种功能集成的常规控制器；

（7）数字量逻辑控制模块，具有8通道数字量输入，14通道数字量输出，输入端加入光耦隔离，输出端采用继电器输出方式。

3.3.2 测控系统组建

图5 测控系统网络结构

整个系统网络结构如上图5所示，每一个嵌入式控制模块都是一个网络节点， PC机作为网络终端向用户提供对整个系统进行操作的控制界面。每个节点在网络中的位置都是对等的，通过总线共享数据，用户可在PC机控制软件中对网络中各个节点的工作流程进行配置。可将系统分为两级，第一级为根据测控要求分布在系统的各个位置的嵌入式模块，执行前端任务，第二级为作为控制终端的PC机，负责系统的过程控制和数据管理。有的控制模块具有网桥的功能，可以连接其他总线，跟其他总线的设备进行通讯，如485、CAN等，从而使测控系统的功能更加丰富、扩展性更强、覆盖面更广。

图6 协议工作流程和调用关系

对于目前的汽车试验设备，大都是准静态或周期性的耐久试验，对数据的实时性要求不高，因此，本设计中的分布式测控系统以太网总线采用TCP和UDP作为通讯协议，TCP和UDP是两种常用的运输层协议，两者都是用IP作为网络层协议，TCP提供面向连接的可靠的运输服务，而UDP不可靠，是一个简单的面向数据报的运输层协议，不能保证数据报能安全无误地到达最终目标。设计中没有实现TCP的滑动窗口协议、流量控制和拥塞控制机制，保留了TCP数据和状态的发送接收及重传机制，通过TCP_ST_SEND（）实现TCP的连接判断和状态转移，TCP_DATA_SEND（）实现TCP数据报发送，TCP_RECEIVE（）完成接收数据包处理。基于以太网的分布式测控系统根据不同的情况和数据内容选择不同的运输层协议，对于数据通信可靠性要求高的情况（如变频器控制、伺服电机控制等），选用面向连接的、能够提供可靠字节流服务的TCP协议；对于数据量大，通讯速率要求高，具有通讯数据自容错能力的情况，使用UDP协议传输，相比于TCP协议，UDP协议数据传输速率更快，对微处理器的运行负担更小如上图6所示。

4结语

本文所介绍的基于以太网的分布式测控系统覆盖了汽车试验设备所需的90%以上的功能，通过灵活的配置和组合能够很好地应用到汽车试验设备中，并且已经在本公司所研发和生产的50%以上的产品中进行了成功地应用。本系统也可方便地移植和应用到其他相关领域。随着汽车测试行业的不断发展，本设计中的测控系统也会不断地完善，向着更可靠、更准确、更高效的目标不断前进。

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收稿日期：2015-08-19

作者简介：王曦（1983―），男，汉族，四川达州人，硕士，中国汽车工程研究院股份有限公司设备开发中心，工程师，研究方向：电气设计与自动控制。