实时以太网总线从站控制器模型化开发 Modeling development method for slave controller of real-time ethernet fieldbus first-author 陈凌宇（1990-），男，湖南常德人，博士研究生，2012年、2015年于长沙理工大学分别获得学士、硕士学位，主要研究方向为机电伺服系统与数控。E-mail： chenly2587@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414210&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414205&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414204&type= 22.01332855 32.00399780 陈凌宇 （1990-），男，湖南常德人，博士研究生，2012年、2015年于长沙理工大学分别获得学士、硕士学位，主要研究方向为机电伺服系统与数控。E-mail： chenly2587@163.com chenly2587@163.com corresp E-mail： fdp@nudt.edu.cn E-mail： fdp@nudt.edu.cn 范大鹏（1964-），男，河南周口人，教授，博士生导师，1991年于华中科技大学获得博士学位，主要从事数控技术，嵌入式系统以及精密光电跟踪平台的测控技术研究。E-mail： fdp@nudt.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414216&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414222&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414226&type= 22.01333237 32.00399780 范大鹏 （1964-），男，河南周口人，教授，博士生导师，1991年于华中科技大学获得博士学位，主要从事数控技术，嵌入式系统以及精密光电跟踪平台的测控技术研究。E-mail： fdp@nudt.edu.cn fdp@nudt.edu.cn 国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410073 国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410073 College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China 从站控制器是工业自动化控制系统中实现总线通信、现场传感器采集、电机等执行器控制功能的基础部件。为满足各类工业现场执行器与传感器的使用需求，解决从站控制器硬软件设计繁琐、开发效率低、升级移植困难的问题，通过对典型从站控制器的硬软件构成分析，提出了一种从站控制器的模型化开发方法。建立了从站控制器共性的实时以太网通信处理模型以及实际应用中常见的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制、通信接口转换从站的设备控制模型，采用模型代码自动生成与移植方法，在国产硬件平台上实现了从站控制器软件的标准化快速开发。实验结果验证了本文所提模型化开发方法的有效性，为实现国产化从站控制器软件的快速开发和升级移植提供了的有效手段。 The slave controller is a fundamental component for realizing bus communication， field sensor acquisition， motor， and other actuator control functions in the industrial automation control system. To meet the needs of various industrial field actuators and sensors and to solve the problems of the cumbersome hardware and software design， low development efficiency， and difficult upgrading and transplantation of slave controllers， this paper proposes a model development method for slave controllers that involves analyzing the hardware and software components of typical slave controllers. The common real-time Ethernet communication processing model of slave controllers and the device control models of digital input/output （I/O）， analog I/O， motion control， and communication interface conversion slaves in practical applications are established， and the model code is automatically generated and ported to realize the standardized and rapid development of slave controller software on the domestic hardware platform. The experimental results verify the effectiveness of the proposed model development method. This study provides a new method for the rapid development and upgrading of the localized slave controller software. 工业自动化：控制系统 实时以太网总线 基于模型的设计 代码生成 industrial automation control system real-time ethernet fieldbus model based design code generation 1 引 言 1 在军民用智能制造和机电装备领域的自动化控制系统中，从站控制器是连接装备的各类传感器、开关、电机和现场总线的基础部件，是控制系统实现反馈信息采集、指令接收、设备控制的“神经末梢” ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。从站的自主开发需要考虑对不同设备接口的高适配性、硬件的高可靠性、现场总线接口通用性等硬件问题，技术难度并不大 ［ 3 3 ］ 。然而，从站软件设计需解决高效和实时的通信协议、不同类型和速率的I/O控制、作动器控制等软件难题。研究从站控制器在不断变化的硬件中，实现软件开发的一致性、规范化和快速性成为了自动化控制系统自主可控研制不可或缺的环节。 随着总线技术的发展，自动化控制系统逐渐由集中式和分布式系统向总线式系统发展 ［ 1 1 ］ 。实时以太网总线由于其传输速率高、数据吞吐量大等优势逐渐成为总线式系统的主流总线，并广泛应用于各类自动化控制系统中 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。根据实时以太网总线从站的特点和工作原理，采用模型化的方式进行设计和开发，是实现从站软件开发的有效途径 ［ 4 4 ］ 。CANopen采用ISO/OSI开放协议标准，定义了标准的通信和设备控制模型，广泛应用于仪器仪表、机器人、数控系统等领域 ［ 5 5 - 7 7 5-7 ］ 。但是，CANopen协议是以CAN总线链路特点进行定义，无法直接应用于实时以太网总线。一些学者采用应用层协议与链路层协议分离的方式将CANopen协议集成在实时以太网链路中，如Powerlink ［ 8 8 ］ ，EtherCAT ［ 9 9 ］ 总线等。但并未对链路层数据传输和应用层处理方法进行模型化描述。在设备控制方面，CANopen提供了部分设备控制子协议，可为从站设备控制模型设计提供参考。Paprocki等根据CiA401模型设计了基于EtherCAT总线的数控系统I/O设备 ［ 10 10 ］ 。马梦意等根据CiA402模型，设计了具有三环控制功能的精密滚珠丝杆系统的驱动器 ［ 11 11 ］ 。Hwang等基于CiA406模型，实现了智能编码器模块的设计 ［ 12 12 ］ 。然而，这些模型描述较为宏观，仅提供了一般性的设计指导。基于模型的设计（Model-based Design， MBD），采用建模软件对目标对象进行精确的建模，已经成为飞机、汽车等复杂控制系统开发的重要工具 ［ 13 13 - 14 14 13-14 ］ 。MBD可通过模型自动生成目标硬件代码，是实现从站软件规范化、模型化、快速化开发的有效方法。 本文针对实时以太网总线从站控制器开发问题，首先对从站在典型系统中的工作原理和硬软件构成进行分析，提出了从站设计的关键技术。然后，采用模型化开发方法，建立了实时以太网总线通信任务处理模型和典型外设的控制功能模型。通过自动代码生成和目标硬件代码移植，实现各类型从站的规范化快速设计和开发。最后，设计实验平台，验证通过模型化方法开发的从站的功能有效性。 2 从站工作原理及硬软件需求分析 1 本节对基于实时以太网总线的自动化控制系统从站的工作原理、硬件组成、软件架构进行分析，归纳了从站设计的功能需求，进一步提出了从站自主可控研制的关键技术。 2.1　从站工作原理及构成 2 实时以太网总线控制系统具有控制高效以及简洁的电气连接等优点，广泛应用于工业控制中。典型的系统如 图1 图1 所示，由集成开发环境、人机操作软件、系统中央处理器（主站）、从站控制器和实时以太网总线构成。 从站接收实时以太网总线上主站发送的指令对工业现场末端设备进行实时控制、信息采集和安全保护等操作，并将末端设备状态通过实时以太网总线传输至主站以实现主站控制逻辑。此外，作为实时以太网总线的网络节点，从站还需对通信数据进行符合总线通信协议的操作以及收发处理。 从站控制器采用数据通信与设备控制分离的架构，如 图2 图2 所示。硬件部分主要由总线控制器、设备控制器以及外设接口电路构成。其中，总线控制器与外部实现实时以太网接口连接，进行通信数据收发。设备控制器通过总线控制器接口读取通信指令并上传本地数据。此外，设备控制器与外设接口电路相连，读取传感器数据并实现执行器控制。外设接口电路提供从站与外设的连接通道。 从站软件主要包括应用层协议处理、对象字典和设备控制算法。应用层协议提供主从站应用数据的使用规范，本文以CANopen作为系统应用层协议进行分析。对象字典是管理通信相关数据和设备控制相关数据的数据库。设备控制算法对象字典为算法指令输入，将运算后的算法输出结果控制外设相关电路，实现外设控制功能。 2.2　从站功能需求分析 2 通过分析从站系统的架构原理，从站作为实时以太网总线拓扑架构中的单个网络节点，实现总线通信和对现场设备的控制。 2 . 2 . 1 从站硬件的主要功能 3 （1）集成标准以太网现场总线接口电路及协议处理芯片，实现100M及以上速率的以太网通信。 （2）采用高性能MCU处理器，可对以太网通信数据进行高速交换以及控制外部传感器、执行器等设备。采样和控制周期不低于1 kHz。 （3）适配数字量I/O信号、模拟量I/O信号接口电路；集成运动控制相关的有刷电机、直流无刷电机、永磁同步电机的硬件接口，以及增量、绝对、旋转变压器等传感器的接口电路；具有RS232，CAN，Profibus等其他总线接口电路，能够实现实时以太网数据在其他总线上传输。 2 . 2 . 2 从站软件的主要功能 3 （1）集成实时以太网总线通信协议，可实现以太网链路层数据的实时传输。通信同步精度低于1 μs。 （2）集成应用层数据处理协议，将链路层数据值与实际应用参数结合，形成与主站逻辑的软件接口。 （3）具有数字量采集与输出功能。采集或输出工业控制过程中的开关量信号和数字脉冲信号。脉冲信号采样和输出频率为1 Hz~10 MHz。 （4）具有模拟量采集与输出功能。可采集和输出模拟电压、电流等信号。AD/DA转换分辨率应大于12位。 （5）集成伺服系统运动控制功能。可对各类伺服驱动器及电机进行电流、速度、位置闭环控制，并具有轮廓规划、回零、插补等运动控制功能。控制带宽不低于1 kHz（电流环）、100 Hz（速度环）、10 Hz（位置环）。 （6）具有通信接口转换功能。可实现实时以太网总线与其他总线的双向通信转换。 2.3　从站控制器开发思路 2 从站控制器的研制关键在于设计功能完善的硬件架构、构建实时以太网通信链路及协议、控制软件架构。根据自主可控的研制需求，从站硬件应采用高性能国产MCU芯片设计通用的核心控制电路。根据从站功能类型设计外设接口电路，作为核心控制电路与外部执行器的通道。 在系统总线通信方面，应采用简单有效的实时以太网总线拓扑架构，根据IEEE802.3接口规范设计标准化的物理层接口。开发链路层实时数据传输协议，并集成在国产核心芯片中，形成模块化的物理层与链路层通信模块。 从站软件直接关系到开发效率和设备控制性能。采用模型化的设计方法，建立实时以太网总线从站控制器软件功能模型，是实现从站开发一致性、规范化、快速化的有效方法。根据前文分析，从站控制器模型主要包括通信处理和设备控制模型，如 图3 图3 所示。 通信处理模型的主要功能是根据通信协议对实时以太网数据进行收发处理。其中，通信状态处理模型根据实时以太网链路层协议对网络通信状态进行管理；通信数据处理模型则根据中断信号，对接收数据进行读取、协议处理、上传等操作。设备控制模型的主要功能是实现一类外设的控制，而根据外设不同可将设备控制模型分为若干种类型。本文以常见的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制、通信接口转换从站为例，重点介绍上述从站模型化开发中的通信处理模型和设备控制模型的建模开发方法。 3 从站通信处理模型设计 1 通信处理模型是从站模型化设计的基础，本节对实时以太网总线架构下从站通信架构进行设计，建立从站通信处理模型。 3.1　从站通信架构设计 2 从站通信架构定义了从站在实时以太网总线中数据传输的硬件通道，是通信功能实现的基础。设计的从站通信架构如 图4 图4 所示。 从站通信架构主要由物理层、数据链路层和应用层构成。各层功能及数据传输原理如下： （1）物理层，遵循IEEE802.3规范，主要由PHY芯片、网络变压器、以太网接口以及Cat5e双绞线构成，采用独立的双通道结构，便于线型级联网络连接和位流传输； （2）数据链路层，总线控制器将以太网逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）子层内容进行了修改和整合，以适应工业自动化控制对数据收发的实时性要求； （3）应用层，采用CANopen标准通信协议，并集成到从站设备控制器中，总线数据收发API、网络帧与CANopen帧转换API定义了链路层数据与应用层数据的传输和转换方法，CANopen协议栈详细定义了SDO，PDO，NMT等通信对象的收发逻辑，以及对象字典的操作，涵盖了传输层和网络层的主要功能。 3.2　从站通信处理模型 2 从站通信处理任务主要包括通信状态处理和通信数据处理两部分。 3 . 2 . 1　通信状态处理模型 3 实时以太网总线通信建立的一般过程主要包括初始化（Init）、准备（Ready）、预操作（Pre_Op）、安全操作（S_Op）和正常操作（N_Op）5个状态。系统从Init状态开始，进行初始化、通信配置、数据传输配置等操作后，在N_Op状态进行正常通信。主从站正常通信建立的原理如 图5 图5 所示。 考虑通信故障状态（Err），系统各通信状态下主从站的主要行为可定义如下： （1）Init：上电后，主从站对以太网硬件初始化状态。从站完成硬件初始化后将ID、类型等信息写入总线控制器。在读取主站状态切换请求后进入Ready状态。 （2）Ready：主站对以太网各节点进行配置状态。在主站发送状态切换请求后进入Pre_Op状态。 （3）Pre_Op：主站配置对网络传输通道、映射、同步时钟配置状态。由主站S_Op请求切换状态。 （4）S_Op：主站进行通信测试状态。完成通信测试后，主站发送N_Op请求切换状态。 （5）N_Op：主从站正常通信状态。该状态下，通信数据帧遵循CANopen协议。 （6）Err：通信错误处理状态。在S_Op和N_Op状态下，如果出现通信错误则自动进入该状态。 根据上述通信任务处理过程，建立FCS通信行为的有限状态自动机模型 M c ，有： <math display="block" id="M1"><msub><mrow><mi>M</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">{</mo><msub><mrow><mi>Q</mi></mrow><mrow><mi 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<math display="block" id="M2"><msub><mrow><mi>Q</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">{</mo><msub><mrow><mi>q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mi>q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mi>q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mi>q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mi>q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mi>q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">}</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414313&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414296&type= 43.51866913 4.91066647 . 输入事件 Σ c 为从站设备控制器读取到的主站状态切换请求，由 b ~ e 分别对应 q 1 ~ q 4 请求， a 和 f 分别表示状态切换错误和通信错误，如下： <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>Σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">{</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>b</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>c</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>d</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>e</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>f</mi><mo stretchy="false">}</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414316&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414328&type= 35.39066696 4.91066647 . 输出状态 Δ c 由 y 0 ~ y 5 分别反映 q 0 ~ q 6 状态，如下： <math display="block" id="M4"><msub><mrow><mi>Δ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">{</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">}</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414335&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414333&type= 40.04733276 4.91066647 . 根据系统通信状态转换原理，容易得到迁移函数 δ （ q ， a ）及输出关系 λ c ，如 表1 表1 所示。 2 2 迁移状态/输出 6 输入迁移事件 a b c d e f 6 当前状态 q 0 q 0 / y 0 q 1 / y 1 q 0 / y 0 q 0 / y 0 q 0 / y 0 q 0 / y 0 q 1 q 0 / y 0 q 1 / y 1 q 2 / y 2 q 1 / y 1 q 1 / y 1 q 1 / y 1 q 2 q 0 / y 0 q 2 / y 2 q 2 / y 2 q 3 / y 3 q 2 / y 2 q 2 / y 2 q 3 q 3 / y 3 q 3 / y 3 q 3 / y 3 q 3 / y 3 q 4 / y 4 q 5 / y 5 q 4 q 4 / y 4 q 4 / y 4 q 4 / y 4 q 4 / y 4 q 4 / y 4 q 5 / y 5 q 5 q 5 / y 5 q 5 / y 5 q 5 / y 5 q 5 / y 5 q 5 / y 5 q 5 / y 5 考虑到在实际系统中通信模型的运行实时性，以从站设备控制器的任务定时时间 T cycle 作为模型的运行触发事件，在Simulink/Stateflow环境中建立系统通信状态处理模型，如 图6 图6 所示。 3 . 2 . 2　应用层数据处理模型 3 从站通信数据处理原理如 图7 图7 所示。当系统处于S_Op和N_Op状态时，设备控制器以总线控制器产生的中断信号IRQ为触发源，根据通道号、地址、长度读取总线控制器寄存器中的通信数据。数据解析后进行CANopen协议处理，将协议栈处理后返回的数据写入总线控制相应的寄存器中。 根据 图7 图7 所示的数据交换原理，建立S_Op和N_Op状态下通信数据处理模型，如 图8 图8 所示。模型以IRQ信号的上升沿为触发条件。满足触发条件后，设备控制器通过寄存器读函数Read_reg（），读取总线控制器中的以太网数据。通过Regroup（）函数将以太网数据转换为CANopen帧格式后进行协议处理。协议栈处理函数CANdispench（）将协议处理结果以CANopen帧格式输出。然后，Regroup（）函数将输出结果转换为以太网帧格式。最后，通过寄存器写入函数Write_reg（）将它写入总线控制器。 以上研究建立了完整的从站通信处理模型，可与控制系统中主站建立正常通信。使用时，通信处理模型的触发条件应优先选择同步信号SYNC，保证系统多从站协议任务的质量。在集成到目标硬件时，通信状态处理模型可集成在定时中断服务程序中，而通信数据处理模型则应单独在优先级最高的通信中断服务程序中。 4 从站设备控制模型设计 1 从站设备控制模型是从站控制器功能实现的核心，也是模型化开发的重点。本节分别对数字量I/O、模拟量I/O、运动控制和通信接口转换从站设备控制模型进行分析和设计。 4.1　数字量I/O控制模型 2 数字量I/O从站是对采用数字量信号作为控制指令或反馈输出的工业现场设备进行控制和信号采集的一类从站的统称。主要功能如 表2 表2 所示。 功能模块 主要功能 数字量 输入处理 开关信号输入滤波、极性转换、输入屏蔽配置；脉冲信号输入滤波、计数、占空比测量、频率测量。 数字量 输出处理 开关信号输出极性转换、输出屏蔽配置；脉冲信号输出频率、占空比、相位、数量可配置。 根据数字量输入处理功能要求，在Simulink环境中建立如 图9 图9 所示模型。其中，开关信号输入主要由信号滤波、极性处理和输入屏蔽模块构成。脉冲输入由信号滤波、跳沿检测和脉冲测量模块构成。 信号滤波模块采用延时去抖动的原理，消除电气干扰引起的信号尖峰，保持信号输入的准确性。令模型运行周期为Δ t ，在检测到输入通道信号变化即 sw i （ n ）≠ sw i （ n- 1）时，以 tc sw 作为延时时间判断并更新滤波器的输出信号 tp d1 。输出条件如下： <math display="block" id="M5"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>t</mi><msub><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">w</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>s</mi><msub><mrow><mi>w</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo 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stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414390&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414375&type= 103.20867157 10.83733368 . 极性处理模块提供了输入信号有效电平的修改功能，采用与 plo i 参数异或逻辑实现该功能，如下： <math display="block" id="M6"><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>^</mo><mi>p</mi><mi>o</mi><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414378&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414377&type= 22.26733208 4.57200003 . 输入屏蔽模块通过 mask i 参数对各通道屏蔽功能进行使能控制，达到屏蔽输入的效果，如下： <math display="block" id="M7"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><mi>D</mi><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>               </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>D</mi><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>D</mi><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext>      </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>s</mi><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414380&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414379&type= 63.41533279 10.41399956 . 脉冲信号 ps i 的滤波处理与 式（5） 式（5） 一致。跳沿检测模块对完成滤波的脉冲信号 tp d3 进行测量，分别记录上升沿时间序列 t up （ n ）与下降沿时间序列 t down （ n ）。假设在同一脉冲周期内， t up （ n ） < t down （ n ）。则根据计数模式 mode 、计数初值 Init c 可计算脉冲计数值 Con i 如下： <math display="block" id="M8"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><mi>C</mi><mi>o</mi><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext>  </mtext><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>o</mi><mi>d</mi><mi>e</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>C</mi><mi>o</mi><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext>   </mtext><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>o</mi><mi>d</mi><mi>e</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414382&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414381&type= 96.09667206 10.83733368 . 频率 Fre i 的测量采用多个周期求平均的方式减少测量误差，计算方法如下： <math display="block" id="M9"><mi>F</mi><mi>r</mi><msub><mrow><mi>e</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>k</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>u</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>u</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="false">]</mo><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mi>w</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mi>w</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo stretchy="false">]</mo><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414393&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414391&type= 101.68467712 8.55133343 ， 其中 k 为频率测量次数。 占空比 DC i 的测量仍然采用多周期求平均的方式，计算方法如下： <math display="block" id="M10"><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>D</mi><msub><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>k</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></munderover></mstyle><mrow><mfenced open="[" close="" separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">w</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>+</mo></mrow></mfenced></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mfenced open="" close="]" separators="|"><mrow><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">w</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">w</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">w</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414397&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414395&type= 62.06066895 22.09799957 . 在Simulink中建立数字量输出处理模型，如 图10 图10 所示。其中，开关信号输出任务主要由极性处理和输出屏蔽模块构成，与 式（6） 式（6） 和 式（7） 式（7） 的处理方法相同。脉冲输出功能主要由脉冲参数计算和脉冲信号产生模块构成。 脉冲参数计算模块通过计算输出脉冲频率 Fre o 、占空比 Dc o 、相位 Ph o 计算脉冲高电平时间 t h 、低电平时间 t l 和输出延迟时间 t d ，如下： <math display="block" id="M11"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>D</mi><msub><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>F</mi><mi>r</mi><msub><mrow><mi>e</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mtext>         </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mi>D</mi><msub><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>F</mi><mi>r</mi><msub><mrow><mi>e</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>P</mi><msub><mrow><mi>h</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">360</mn><mo>⋅</mo><mi>F</mi><mi>r</mi><msub><mrow><mi>e</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mtext> </mtext></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414386&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414385&type= 33.10466385 15.15533447 . 令脉冲信号的空闲状态或禁能状态下信号电平为低，则脉冲输出信号 Ps out 随时间的变化如下： <math display="block" id="M12"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><mtext> </mtext><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo><</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo><</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>p</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mtext> </mtext><mo>&</mo><mtext> </mtext><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo><</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414403&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414387&type= 111.33666229 23.11400032 . 4.2　模拟量I/O控制模型 2 模拟量I/O从站针对以模拟电压、电流信号为指令或反馈工业现场设备，通过AD，DA转换实现设备控制和信息采集功能。模拟电流或电压信号在检测原理上并无本质区别，可通过欧姆定律进行转换。本文以 - 10~10 V电压信号I/O为例，在Simulink中建立模拟量输入输出模型，如 图11 图11 所示。 模拟量输入功能主要由输入信号转换、输入偏置校正和输入增益变换模块构成。输入信号转换模块用于将AD模块采集的数字量化值 AD i ，转换为对应的模拟电压值 tp a1 。转换方法如下： <math display="block" id="M13"><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><msub><mrow><mi>D</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>×</mo><mi>r</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo>×</mo><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>g</mi><msub><mrow><mi>e</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414402&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414407&type= 41.57133484 4.57200003 ， 其中 res ai 和 range ai 分别为AD模块的分辨率和量程。 偏置校正和增益变换主要是补偿AD模块采集的信号与真实信号的差异，如零漂、信号单位转换等。因此，模型对实际信号处理的最终结果 AI value 表达式如下： <math display="block" id="M14"><mi>A</mi><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><mi>o</mi><mi>f</mi><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>g</mi><mi>i</mi><mi>a</mi><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">i</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414419&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414418&type= 44.11133575 4.91066647 ， 其中： gain ai 为输入增益， oft ai 为输入偏置。 模拟量输出功能主要由输出值限制、增益变换、偏置校正和输出信号转换模块构成。输出值限制模块通过设置信号输出范围［ lim aol ， lim aoh ］，约束输出电压 DA o 。约束规则如下： <math display="block" id="M15"><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>D</mi><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>     </mtext><mi>l</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo><</mo><mi>D</mi><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo><</mo><mi>l</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>l</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>       </mtext><mi>D</mi><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo><</mo><mtext> </mtext><mi>l</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">l</mi></mrow></msub><mtext>        </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>l</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>       </mtext><mi>D</mi><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">u</mi><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow></msub><mo>></mo><mtext> </mtext><mi>l</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>m</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mtext>        </mtext></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414421&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414420&type= 62.99200058 14.81666565 ， 其中 DA value 和 tp a2 分别输出限制模块的输入输出。 经过输出限制处理后，模拟量的输出处理过程仍需要考虑DA模块输出信号值与从站实际输出信号的差异。此外，也需要考虑DA模块输出模拟信号与数字量指令的转换运算。实际上，这与模拟量的输入过程完全相同。根据 式（13） 式（13） 和 式（14） 式（14） 的计算原理，可以得到模块量输出信号值 DA o 的表达式如下： <math display="block" id="M16"><mi>D</mi><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>t</mi><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>×</mo><mi>g</mi><mi>a</mi><mi>i</mi><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>o</mi><mi>f</mi><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><msub><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub><mo>×</mo><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>g</mi><msub><mrow><mi>e</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">o</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414423&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414422&type= 41.90999985 8.80533314 ， 其中： gain ao 为输出增益， oft ao 为输出偏置， res ao 和 range ao 分别为DA模块的分辨率和量程。 4.3　运动控制模型 2 运动控制从站主要是对伺服电机及传动机构的运动方式和轨迹进行控制和规划，实现位置、速度及转矩的精确控制。由于运动控制功能的多样性和功能应用的复杂性，本文主要以轮廓速度、位置的S型规划建模说明运动控制从站基于模型设计方法的有效性和可行性。 轮廓速度S型规划过程中，速度、加速度（减速度）、加加速度的变化规律如 图12 图12 所示。根据加速和减速原理，将整个规划过程分为加加速度段，匀加速度段，减加速段。 v t ， v f ， a t ， J 分别为初始速度、目标速度、加速度、加加速度。各段结束时刻的时间分别为 t 1 ， t 2 ， t 3 ，各段持续时间分别为 τ 1 ， τ 2 ， τ 3 。 规划过程中，各段加速度函数 a （t）如下： <math display="block" id="M17"><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><mi>J</mi><mi>t</mi><mtext>                         </mtext><mn 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separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.5</mn><mi>J</mi><msup><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo><</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">f</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.5</mn><mi>J</mi><msubsup><mrow><mi>τ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup><mo>+</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><msub><mrow><mi>t</mi></mrow><mrow><mn 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mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi>t</mi></mrow></msubsup><mrow><mi>v</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi mathvariant="normal">d</mi><mi>t</mi></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414429&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45414428&type= 40.80933380 7.87400007 . 在Simulink环境中建立轮廓位置规划模型，如 图15 图15 所示。考虑到实际的系统负载行程范围，对位置指令进行限制处理。此外，根据电机输出转矩、转速和负载惯量关系，对指令速度和加速度进行限制。 4.4　通信接口转换模型 2 部分工业现场设备采用通信控制的方式，需要通过通信指令进行控制。通信接口转换从站通过对实时以太网和设备进行通信接口双向转换，实现对设备控制的一类从站。由于通信链路和协议的差异，通信接口转换从站分为多种类型，本文以CAN通信转换从站为例，说明这一类通信转换模型的设计方法。 通信转换任务往往以事件为触发源，可采用有限状态自动机进行建模和描述。在Simulink中建立以太网与CAN总线的通信转换模型，如 图16 图16 所示。模型由Main_state，CAN_receive和CAN_send 3个状态构成。 （1） Main_state状态。上电后，模型首先进入Main_state的Init状态，并进行CAN初始化相关操作，包括设置波特率、帧类型、接收ID和屏蔽码等。完成初始化后，以通信任务定时周期为事件触发源，进入Idle状态。Idle状态下，模型定时读取CAN接收中断FIFO深度r_depth和以太网待发送数据深度s_depth。 （2） CAN_receive状态。当r_depth>0时，表示CAN链路收到数据帧，模型迁移至CAN_receive状态。该状态下，模型通过canFIFO_read（）函数读取CAN接收中断FIFO中数据，并解析成ID号、数据长度和数据信息。将解析数据存入OD，等待主站以太网通信帧读回，并迁移至Main_state的Idle状态。 （3） CAN_send。当s_depth>0时，CAN链路有待发送的数据帧，模型迁移至CAN_send状态。此时，模型根据ncucFIFO_read（）函数读取到的待发送CAN帧的ID号、数据长度和数据信息，并将其重组成CAN帧格式后发送。结束后，模型迁移至Main_state的Idle状态。 4.5　控制模型代码生成与移植 2 上述模型提供了从站软件设计的理论依据，通过代码自动生成和移植，可快速在实际系统中进行实现。本文采用国产京微齐力M7系列SoC芯片作为目标硬件。在对Simulink模型进行仿真验证后，将模型转换为M7的可执行代码。代码生成原理如 图17 图17 所示。 图17 图17 中，Simulink模型首先通过Embedded Coder生成rtw文件。然后，根据用户选择的目标语言编译器将rtw文件编译成.h和.c文件。为保证生成代码的通用性，本文选择通用的grt.tlc编译器。随后，在M7的cortex-m3内核编译环境Keil中，将.h和.c文件移植到M7程序框架，并确定模型输入和输出接口。二次编译后则可得到运行在M7中的可执行文件。 在代码生成过程中，源文件（.h和.c）的移植过程是关键。具体移植步骤如下： （1） 将生成的源文件加到目标硬件工程中。 （2） 测试模型在实际系统中的运行时间，保证实际系统周期任务的执行时间小于定时周期。 （3） 确定实际系统通信中断、定时中断等任务的优先级。将时间敏感的周期任务合并为同一触发源。 （4） 在定时中断服务程序中周期性调用模型功能函数。值得注意的是，定时中断周期必须与模型离散周期（仿真步长）一致。 （5） 定义模型输入输出参数与对象字典接口，并在模型功能函数调用前对模型参数进行更新。 （6） 对模型功能进行全面测试。 以上研究建立了典型的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制、通信接口转换从站设备控制模型，介绍了模型代码生成原理和移植的一般步骤，形成了完整的从站设备控制软件设计方法。 5 实 验 1 本节根据前文提出的从站控制器通信处理模型和设备控制模型的设计方法，在国产硬件平台上进行模型代码生成与移植，形成原理样机，对所建立的模型进行实验验证。 5.1　实验平台 2 为了验证从站通信处理模型和4种设备控制模型的有效性，构建如 图18 图18 所示的实验平台。建立主站与各从站的实时以太网连接，验证从站通信处理模型的有效性。在主站中设计应用程序逻辑，分别对数字量I/O从站、模拟量I/O从站、运动控制从站、通信接口转换从站的外设进行控制，验证设备控制模型的功能。实验平台中，主站采用嵌入式微型计算机，从站MCU采用国产HME-M7系列SoC芯片。数字量I/O从站与模拟量I/O从站接口由外设接口板引出，通过示波器观测信号的输入输出波形。运动控制从站外设为交流伺服驱动器与电机，通过主站软件记录电机编码器反馈参数。通信接口转换从站与CAN收发器相连，用于CAN通信测试。 根据实验设备构成原理，搭建实验系统硬件平台，如 图19 图19 所示。利用自研FX_PLC_Developer集成开发环境，进行主站POU逻辑程序设计。主站通过实时以太网链路对各从站操作外部设备的行为进行控制，通信周期为1 ms。建立正常主从的通信即可说明从站通信处理模型的有效性。因此，本节主要对数字量I/O、模拟量I/O、运动控制和通信接口转换功能进行测试。 5.2　模型功能验证 2 5 . 2 . 1　数字量I/O控制模型功能测试 3 在主站中设计程序逻辑，将数字量I/O从站输入信号取反输出。利用信号发生器向数字量I/O从站发送方波信号，模拟实际开关量的信号输入。通过示波器观测数字量I/O从站输入波形与输出波形的关系，如 图20 图20 所示。其中，示波器1通道为从站输入信号，2通道为从站输出信号，且二者逻辑相反。结果表明，数字量I/O控制模型能够实现数字量的采集与输出控制。 5 . 2 . 2　模拟量I/O控制模型功能测试 3 利用信号发生器产生正弦电压信号作为模拟量I/O从站输入。在主站中设计程序逻辑，将输入通道的模拟电压直接由输出通道发出。通过示波器通道1和2分别观测输入与输出通道的电压波形，如 图21 图21 所示。输入通道与输出通道的电压波形一致。结果表明，模拟量I/O控制模型能够实现模拟量信号的采集与输出控制。 5 . 2 . 3　运动控制模型功能测试 3 闭环控制和运动规划是运动控制从站的基本功能。因此，将运动控制从站与交流伺服驱动器相连，设置驱动器为转矩模式，分别进行速度轮廓规划和位置轮廓规划测试。 5.2.3.1 速度轮廓规划测试 4 在主站中设计程序逻辑，将从站配置成速度控制模式，并设置速度环控制器参数、轮廓加速度和加加速度参数。在系统运行过程中，改变轮廓速度，从站会在线计算速度轮廓曲线对应的速度指令并对电机进行速度闭环控制。 图22 图22 （a）为初始速度为0，加速度为100 rad/s 2 、加加速度为200 rad/s 3 时，原始指令、规划指令和实际速度的测试结果。其中，规划后的指令速度与设定条件相符并与反馈速度一致，验证了轮廓速度规划功能的有效性。 1;2; 5.2.3.2 位置轮廓规划测试 4 在主站程序中将从站设置为位置控制模式，调整速度环、位置环控制器参数，设置位置轮廓速度、加速度和加加速度参数。在系统运行过程中，改变目标位置，则从站会根据所配置参数进行位置指令规划和位置闭环控制。 图22 图22 （b）为初始位置为0、轮廓速度为100 rad/s、加速度为100 rad/s 2 、加加速度为200 rad/s 3 、指令位置为200 rad时，位置规划和实际反馈结果。其中，规划后的指令位置符合设定的条件约束，且位置反馈与规划指令一致，验证了轮廓位置规划功能的有效性。 5 . 2 . 4　通信接口转换模型功能测试 3 将CAN通信接口转换从站通过USB-CAN转换器连接至PC，使用CAN_test向通信转换从站发送ID为0x528、数据长度为8字节的标准帧，且数据值每次发送时加2。主站逻辑将接收到的数据的每个字节都加1后由从站发出。 图23 图23 为CAN_test软件对CAN总线数据的监控结果。实验表明，CAN通信接口转换模型能够实现实时以太网链路与CAN链路的双向转换。 以上实验结果验证了本文提出的从站通信处理模型、数字量I/O控制模型、模拟量I/O控制模型、运动控制模型、CAN通信接口转换模型的准确性。这种基于模型的设计方法，可快速且高效地实现各类工业现场设备的控制软件开发。 6 结 论 1 实时以太网总线从站控制器是自主可控工业控制系统的基础部件，直接影响工业控制系统对设备的控制功能和性能。本文研究了典型控制系统中从站的工作原理和硬软件架构原理，归纳了从站研制的功能需求和研制思路。对从站共性的实时以太网通信处理功能进行分析，设计了通信架构，建立了通信状态处理模型和通信数据处理模型。针对不同工业现场设备，提出了典型的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制及通信接口转换从站的模型化设计方法。通过自动代码生成和移植，形成了完整的从站软件模型化开发闭环。通过搭建的实验验证平台，验证了本文提出的模型化开发方法的有效性。该方法为实时以太网从站控制器软件的设计与实现提供了快速开发手段。 参考文献 范大鹏 ， 陈凌宇 ， 王晓宇 ， 等 . 自主可控可编程控制系统架构与关键技术 ［J］. 光学 精密工程 ， 2023 ， 31 （ 1 ）： 1 - 13 . doi: 10.37188/OPE.20233101.0001 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20233101.0001 自主可控可编程控制系统架构与关键技术 FAN D P ， CHEN L Y ， WANG X Y ， et al . 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