CN105955234B - 基于增强虚拟现实技术的调距桨控制器测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，包括调距桨电控系统、PC上位机、输入输出接口，调距桨电控系统内部包括中心控制箱虚拟模块、液压泵站虚拟模块、系统监测虚拟模块，PC上位机输出控制参数设置到调距桨电控系统中各个虚拟模块，调距桨电控系统中各个虚拟模块根据PC上位机给出的外部监控指令进行虚拟运行，调距桨电控系统中各个虚拟模块自带运行算法和虚拟硬件，调距桨电控系统运行数据送PC上位机；各个虚拟模块中各个虚拟硬件分别被实际待测硬件对应代替进入系统进行调试测试。提高调距桨控制系统的开发效率。真实子系统与虚拟子系统混合调试测试方法，充分发挥了性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成这四大优势。

Description

基于增强虚拟现实技术的调距桨控制器测试平台

技术领域

本发明涉及一种控制器开发测试平台，特别涉及一种基于增强虚拟现实技术的调距桨控制器测试平台。

背景技术

在智能化系统及机电一体化产品的设计研发中，调试技术起到了越来越重要的作用。计算机技术的发展， 使得调试技术向多学科交叉，从硬件向软件化的虚拟调试方向发展。在设计过程中，考虑技术性、经济性等方面的原因，建立虚拟调试系统，可以在虚拟制造环境下，研发出具有符合实际工况的产品。

针对虚拟现实只能模拟的不足，增强虚拟现实技术进一步加强了虚拟现实与真实场景的联系，增强虚拟现实技术利用真实传感技术接口，将真实场景的信息反馈植入到虚拟系统中，实现了真实场景与虚拟系统的信息通讯与交流。

目前，调距桨广泛的应用于各类舰船上，微机化调距桨控制系统是一个重要的发展方向。分布式模块化的调距桨控制系统具有易维护，可移植，可扩展的特点，为现代船舶工业全船监控网络发展奠定了技术基础。但是调距桨的设计需要大型船舶配合调试，整个过程耗费大量的人力物力财力，而且限制条件比较多。因此开发一套虚拟调试平台就具有重要现实意义。

微机化调距桨控制系统是现代船舶技术发展的一个重要方向。同时，调距桨控制器向分布式模块化发展，标准的软硬件平台能满足设计和升级的需求。在此基础上设计和开发的基于增强虚拟现实技术的调距桨控制器测试平台，更能提高系统的开发效率。

发明内容

本发明是针对实际舰船个体巨大，现场调试费用高昂，可操作性不强的问题，提出了一种基于增强虚拟现实技术的调距桨控制器测试平台，将各模块虚拟化，建立虚拟模块，模拟实际模块的输入输出，但具有真实的通讯接口。每个模块都有对应的虚拟硬件和虚拟软件，各模块进行信息交互，也可以和实际硬件模块进行交互，从而实现真实模块与虚拟系统的混合调试过程。本发明调距桨控制系统是由嵌入式控制器硬件模块与相对应的嵌入式控制软件有机整合而成。

本发明的技术方案为：一种调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，包括调距桨电控系统、PC上位机、输入输出接口，调距桨电控系统内部包括中心控制箱虚拟模块、液压泵站虚拟模块、系统监测虚拟模块，PC上位机输出控制参数设置到调距桨电控系统中各个虚拟模块，调距桨电控系统中各个虚拟模块根据PC上位机给出的外部监控指令进行虚拟运行，调距桨电控系统中各个虚拟模块自带运行算法和虚拟硬件，调距桨电控系统运行数据送PC上位机；各个虚拟模块中各个虚拟硬件分别被实际待测硬件对应代替进入系统进行调试测试。

所述PC上位机通过CAN通讯接口对调距桨电控系统中各个虚拟模块进行测试，所有虚拟模块中硬件单元互相之间也通过CAN通讯接口进行连调，统一用同一CAN协议进行信息交互。

所述调距桨电控系统接收PC上位机发出的外部监控指令，经过控制算法计算后，发出控制指令到虚拟硬件，实现动作的控制，并将相关信息发送回PC上位机。

所述中心控制箱虚拟模块输入输出信号包括：接收螺距指令、接收主机转速航行参数、反馈当前系统状态信息、异常报警、发送螺距控制信息、发送液压系统流量控制目标信息、卸荷控制、接收螺距反馈、接收备用通道操作状态、读取历史信息、PID控制参数设置及CAN双备份总线传输协议。

所述液压泵站虚拟模块输入输出信号包括：接收螺距控制指令、反馈当前螺距、接收比例变量泵控制量或PTO阀控制次序的开关信号、传输当前流量控制模式及电磁阀开关次序的信号、PID控制参数设置、备用控制允许指令、检测正倒车指令、控制正倒车比例阀、控制液压比例阀、控制卸荷电磁阀、控制比例变量泵、控制PTO电磁阀及CAN双备份总线传输协议。

所述系统监控虚拟模块输入输出信号包括：检测液压油压信号、检测液压温度信号、油压低报警、油箱油位低报警、液压滤器堵塞报警、回油滤器堵塞报警、检测备用泵状态、检测提升泵状态及CAN双备份总线传输协议。

本发明的有益效果在于：本发明调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，提高调距桨控制系统的开发效率。真实子系统与虚拟子系统混合调试测试方法，充分发挥了性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成这四大优势。

附图说明

图1为本发明调距桨电控系统整体结构示意图；

图2为本发明调距桨控制器增强虚拟现实调试平台连接图；

图3为本发明调距桨电控系统与外部实体接口示意图；

图4为本发明电控系统软件模块化设计结构图；

图5为本发明中心控制箱软件功能模块接口示意图；

图6为本发明液压泵站软件功能模块接口示意图；

图7为本发明系统监控软件功能模块接口示意图；

图8为本发明中心控制箱模块设计方案图；

图9为本发明数据存储循环队列示意图；

图10为本发明液压泵站控制模块方案设计图；

图11为本发明系统监控子模块结构示意图。

具体实施方式

调距桨控制系统是由嵌入式控制器硬件模块与相对应的嵌入式控制软件有机整合而成。

首先，将调距桨控制平台模块化。根据调距桨电控系统的功能分析，可以按功能划分为四个子模块，分别为中心控制箱模块、液压泵站模块、系统监测模块、外部监控（PC上位机端软件）模块，各个模块功能及输入输出接口示意如图1所示。

然后，设计各个模块的虚拟硬件库和虚拟软件程序。每个模块提供CAN双备份总线传输协议进行通讯。

最后，进行虚拟软硬件替换测试。硬件模块开发完成电子电路设计、模块外形设计及软件代码移植，实现调距桨控制功能。此时，可以实现软硬件结合测试。如图2所示调距桨控制器增强虚拟现实调试平台连接图。PC虚拟模块（PC上位机）通过CAN通讯接口对其调距桨控制系统中各个单元进行测试，所有硬件单元互相之间也通过CAN通讯接口进行连调，统一用同一CAN协议进行信息交互。

一、系统模块化设计：

通过调距桨电控系统的需求分析，可以归纳调距桨电控系统与外部实体的接口模块如图3所示。

调距桨电控系统软件具有“螺距指令”接收接口，可以接收外部监控发送的螺距指令，并经过闭环控制算法计算后，通过“比例阀指令”接口，发送到液压机组，实现螺距的动态精确控制。在特殊工况下或比例控制失效状态下，液压机组可能需要切换到备用通道控制模式，电控系统具有“备用控制允许”接口，接收指令后，通过“卸荷阀指令”接口停止闭环控制，并通过“正车倒车指令”接口，实现螺距的手动控制，并将相关信息发送到外部监控。

调距桨电控系统具有“主机转速”状态接收接口，接收外部监控发送的当前主机转速信息，并经过“主机转速—流量控制匹配算法”计算，得到当前的比例流量泵控制值或PTO电磁阀的开关控制序列，控制液压系统的流量。

液压机组通过“双联螺距反馈信号”、“系统状态信号”、“系统异常报警”等检测接口将当前的系统状态与报警信息通知调距桨电控系统，系统将通过对应的软件接口，利用双备份数据总线，将信息发送到外部监控。

所有发送到电控系统操作指令，以及从电控系统输出的控制信号，都保存在内部中心信息数据库，该存储信息可以通过“存储信息读取”软件接口被PC端软件读取，以CAN双备份总线为传输通道。PC端软件还可以通过“控制参数设置”接口，设置比例阀闭环控制的PID参数。

根据调距桨电控系统的功能分析，可以按功能划分为四个子模块，分别为中心控制箱软件功能模块、液压泵站软件功能模块、系统监测软件功能模块、PC端上位机软件功能模块，如图4所示电控系统软件模块化设计结构图。

中心控制箱软件功能模块（简称“中心控制箱功能模块”或“中心控制箱模块”）是电控系统的中枢模块，所有对外通讯的系统信息都是通过它传输的，无论是控制指令信号还是系统警报信号。例如，中心控制箱软件功能模块接收外部监控发送的螺距控制指令，并将其发送到液压泵站模块，液压泵站软件功能模块控制阀指令输出；中心控制箱接收系统监控软件模块的当前系统报警信息，并将其通过CAN系统总线发送到外部监控模块进行显示。

液压泵站软件功能模块（简称“液压泵站功能模块”或“液压泵站模块”）主要完成液压机组的控制任务，其将电控中心软件功能模块数据总线发送的数字量控制指令，转化为液压机组控制所需的模拟量控制量，并满足实时闭环控制需求。

系统监测软件功能模块（简称“系统监测功能模块”或“系统监测模块”）监测液压机组的实时状态信息与报警信息，并将其转化为数字量，并通过数据总线发送给中心控制箱模块，进行数据保存与显示。

PC端上位机软件功能模块（简称“上位机软件”或“PC软件”）发送“数据读取”指令到中心控制箱，请求保存的控制输入指令、控制输出信号、系统状态信息、报警信息等，在PC显示终端实时显示，也可以通过该软件模块设置液压泵站PID闭环控制算法的控制参数。

二、 虚拟软件模块设计

根据调距桨控制器系统结构设计，将调距桨控制器各模块虚拟化，独立为“中心控制箱虚拟模块”、“液压泵站虚拟模块”、“系统监控虚拟模块”。同时根据整个虚拟调试平台的需要，设计了“外部监控虚拟模块”。这些模块的工作运行流程与各模块的功能设计相一致，并且虚拟各模块之间采用真实的CAN双备份总线通讯。通过各个模块的软件需求分析，开发各模块的模拟软件，建立一个项目的虚拟子系统模块库。

2.1 中心控制箱虚拟模块设计

中心控制箱虚拟模块主要完成：1）接收螺距指令；2）接收主机转速航行参数；3）反馈当前系统状态信息；4）异常报警；5）发送螺距控制信息；6）发送液压系统流量控制目标信息；7）卸荷控制；8）接收螺距反馈；9）接收备用通道操作状态；10）读取历史信息；11) PID控制参数设置；12）CAN双备份总线传输协议。

中心控制箱软件功能模块以中心控制箱硬件平台为载体，作为电控系统软件的中枢核心，连接各个子功能模块，如图5所示中心控制箱软件功能模块接口示意图。

2.2 液压泵站虚拟模块设计

液压泵站虚拟模块主要完成：1）接收螺距控制指令；2）反馈当前螺距；3）接收比例变量泵控制量或PTO阀控制次序的开关信号；4）传输当前流量控制模式及电磁阀开关次序的信号；5）PID控制参数设置；6）备用控制允许指令；7）检测正倒车指令；8）控制正倒车比例阀；9）控制液压比例阀；10)控制卸荷电磁阀；11）控制比例变量泵；12）控制PTO电磁阀；13）CAN双备份总线传输协议。

液压泵站虚拟子模块软件功能模块是基于液压泵站控制模块硬件平台为控制载体的，在该硬件平台上实现的软件接口，如图6所示液压泵站软件功能模块接口示意图。

2.3 系统监控虚拟模块设计

系统监控虚拟模块主要完成：1）检测液压油压信号；2）检测液压温度信号；3）油压低报警；4）油箱油位低报警；5）液压滤器堵塞报警；6）回油滤器堵塞报警；7）检测备用泵状态；8）检测提升泵状态；9）CAN双备份总线传输协议。

系统监控虚拟子模块是基于系统监测模块硬件平台为载体的，在该硬件平台上实现的软件接口，如图7所示系统监控软件功能模块接口示意图。

2.4 外部监控虚拟模块

外部监控虚拟模块界面，主要模拟对调距桨控制系统提供螺距和转速信号。

三、真实硬件模块设计

真实硬件模块设计主要是能配合虚拟系统通讯和软件容量进行的，真实硬件模块所用软件同虚拟软件。

3.1 中心控制箱硬件模块

如图8所示中心控制箱模块设计方案图。

中心控制箱功能模块带有4路标准CAN2.0B的通讯接口，其中2路作为与外部监控、PC端上位机软件通讯的双备份接口，用于传输当前实时的操作信息与系统状态信息，以及保存的历史信息数据回传回放等；另外2路作为与液压泵站控制模块的双备份通讯接口，一路为主干通道，另一路为备用的从线通道，当主干通道工作不正常无法通讯时，系统自动切换到从线通道进行通讯。

中心控制箱模块外扩2路具有12位检测精度的AD模块，其中一路用于检测输入的手柄操作信息，指示当前螺距的控制目标，另外一路检测主机转速信号，控制比例变量泵或PTO电磁阀的开关组合；系统还具有2路10位检测精度的AD模块，未使用，作为备用资源。中心控制箱模块将配置12路IO管脚用于输入的数字量检测；

中心控制箱模块具有4路DA输出模块，未使用，作为系统备用资源，以待扩展；该模块还具有12路DO输出通道，12路DO输出通道通过12个继电器，转化为12对的无源触点。

中心控制箱带有数据存储记录系统，扩展了4M的FLASH以及2K的FRAM。每条数据为8个字节，其中4个字节为系统时间信息，可以从带纽扣电池的外扩RTC模块获取系统时间，另外4个字节为操作指令、螺距反馈、系统状态等信息。历史数据分批量先存储在FRAM上，当存储的数据超过一页FLASH容量时，再一次性写入FLASH的一页，该方法避免频繁擦除FLASH，保障存储设备的可靠性。当系统记录事件大于数据存储容量时，存储模块将以循环队列结构自动丢弃最大数据存储容量前的记录数据（替换最老数据），保存当前有效数据，并通过设置数据有效指针标记有效数据起始点和终点，如图9所示数据存储循环队列示意图。

3.2 液压泵站硬件模块：

实际硬件代替虚拟模块进行运行的时候，软件用实际硬件自带的嵌入式软件，此嵌入式软件与虚拟软件相同，这时候硬件模块接口替换掉虚拟软件接口，连接调距桨控制器系统的变成实际硬件和软件模块，而替换下的虚拟模块被孤立，失去作用。

如图10所示液压泵站控制模块方案设计图。

液压泵站模块具有两路CAN通讯接口，其中一路作为主通道，另外一路作为从线通道，实现双线备份。

液压泵站模块实时监测螺距发讯器产生的双联螺距反馈模拟量4mA~20mA信息，并通过CAN总线将当前螺距信息发送到中心控制箱。机旁控制箱模块具有4路12bit精度的AD检测通道，其中2路用于双联螺距模拟量检测，另外2路未使用，作为系统备用资源，以待扩展；

液压泵站模块通接收螺距控制命令信息，检测当前系统螺距值，通过PID控制算法计算，得到控制输出量，进行螺距的闭环精确控制。模块设计时带有4路10bit精度的模拟量控制输出，其中1路用于螺距闭环控制的液压比例阀控制输出，1路用于流量控制的比例变量泵控制输出，另外2路DA输出未使用，作为系统备用资源，以待扩展；

液压泵站模块带有12路IO管脚的数字量输入检测通道，用于检测液压组件或机械装置发出的“零螺距信号”、“本控∕遥控信号”、“备用控制允许信号”、“备用通道正车”、“备用通道倒车”等系统状态信息。

液压泵站模块带有12路IO管脚的数字量输出控制通道，DO输出通过继电器转化为无源触点，可实现对 “PTO一级卸荷”、“PTO二级卸荷”、“PTO三级卸荷”序列组合的开关控制，以及对“卸荷电磁阀”、“正车电磁阀”、“倒车电磁阀”的控制。

3.3 系统监控硬件模块

如图11所示系统监控子模块结构示意图。

系统监控子模块具有两路CAN通讯接口，其中一路作为主通道，另外一路作为从线通道，实现双线备份。

系统监控子模块实时监测液压系统油压信号及液压系统油温信号，由于检测油温的铂铑电阻Pt100传感器产生的电阻变化信号不能直接为液压接线盒模块所测量，所以需要通过信号转换模块（例如亚当模块），转化为标准船用4mA～20mA信号，才能实现实时监控，系统检测模块将实时测量值通过CAN总线发送到中心控制箱。

系统监控子模块具有4路12bit精度的AD检测通道，其中1路用于油压信号检测，1路用于油温信号检测，另外2路未使用，作为系统备用资源，以待扩展；

系统监控子模块带有4路10bit精度的模拟量控制输出，4路DA输出都未使用，作为系统备用资源，以待扩展；

系统监控子模块带有12路IO管脚的数字量输入检测通道，用于检测液压组件或机械装置发出的油压检测信号，例如“系统油压低”、“备用出口压力低”、“重力油箱油位低”、“主油箱油位低”等，以及压力滤器是否堵塞报警信号，例如“压力滤器F1报警”、“压力滤器F2报警”、“压力滤器F3报警”、“压力滤器F4报警”等，并检测备用泵及提升泵的状态信息，例如“备用泵运行指示”、“备用泵过载报警”、“提升泵运行指示”、“提升泵过载报警”等。

系统监控子模块带有12路IO管脚的数字量输出控制通道，DO输出通过继电器转化为无源触点，12路DO输出未使用，作为系统备用资源，以待扩展；

四 增强虚拟现实联合测试技术；

在软件开发过程中，设计一套纯虚拟的调距桨控制器系统，而且该模拟系统也是采用模块化设计，独立为“中心控制箱虚拟模块”、“机旁控制箱虚拟模块”、“液压接线盒虚拟模块”，这些模块的工作运行流程与各模块的软件分析设计相一致，并且虚拟各模块之间采用真实的CAN双备份总线通讯。如此，则各模块之间无法判断与自己通讯的“实体”为虚拟模块，还是真实硬件模块，而只是进行相同的CAN信息交互，所以利用该技术就可以将真实硬件模块置换入虚拟控制器系统，验证真实硬件模块的正确性与有效性。

在软件开发阶段，通过各个实际设计模块的软件需求分析，开发各模块的模拟软件，验证软件需求的正确性，并建立在此基础上建立一个项目的虚拟硬件模块库。

在软件模拟测试阶段，利用各个虚拟硬件模块库，实现各模块的虚拟联合调试，规范各个模块之间的通讯接口及通讯协议，使各个模块相互独立。在建立了虚拟测试平台之后，模块之间已相互独立，所以后期软硬件测试时可以用真实的硬件模块逐个替换虚拟硬件模块，实现单模块的系统测试。

硬件开发模块完成电子电路设计、模块外形设计及软件代码的移植，完成项目的调距桨控制功能。

软硬件结合测试阶段，首先将开发完成后的硬件模块在虚拟测试平台上完成单模块测试，在验证各模块接口及功能正确后，再将多模块联合成控制系统进行外部输入的模拟测试，最后在调距桨系统测试台架上完成各种性能测试。

Claims (5)

1.一种调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，其特征在于，包括调距桨电控系统、PC上位机、输入输出接口，调距桨电控系统内部包括中心控制箱虚拟模块、液压泵站虚拟模块、系统监测虚拟模块，PC上位机输出控制参数设置到调距桨电控系统中各个虚拟模块，调距桨电控系统中各个虚拟模块根据PC上位机给出的外部监控指令进行虚拟运行，调距桨电控系统中各个虚拟模块自带运行算法和虚拟硬件，调距桨电控系统运行数据送PC上位机；各个虚拟模块中各个虚拟硬件分别被实际待测硬件对应代替进入系统进行调试测试；

所述PC上位机通过CAN通讯接口对调距桨电控系统中各个虚拟模块进行测试，所有虚拟模块中硬件单元互相之间也通过CAN通讯接口进行连调，统一用同一CAN协议进行信息交互。

2.根据权利要求1所述调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，其特征在于，所述调距桨电控系统接收PC上位机发出的外部监控指令，经过控制算法计算后，发出控制指令到虚拟硬件，实现动作的控制，并将相关信息发送回PC上位机。

3.根据权利要求1所述调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，其特征在于，所述中心控制箱虚拟模块输入输出信号包括：接收螺距指令、接收主机转速航行参数、反馈当前系统状态信息、异常报警、发送螺距控制信息、发送液压系统流量控制目标信息、卸荷控制、接收螺距反馈、接收备用通道操作状态、读取历史信息、PID控制参数设置及CAN双备份总线传输协议。

4.根据权利要求1所述调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，其特征在于，所述液压泵站虚拟模块输入输出信号包括：接收螺距控制指令、反馈当前螺距、接收比例变量泵控制量或PTO阀控制次序的开关信号、传输当前流量控制模式及电磁阀开关次序的信号、PID控制参数设置、备用控制允许指令、检测正倒车指令、控制正倒车比例阀、控制液压比例阀、控制卸荷电磁阀、控制比例变量泵、控制PTO电磁阀及CAN双备份总线传输协议。

5.根据权利要求1所述调距桨控制器增强虚拟现实调试平台，其特征在于，所述系统监测虚拟模块输入输出信号包括：检测液压油压信号、检测液压温度信号、油压低报警、油箱油位低报警、液压滤器堵塞报警、回油滤器堵塞报警、检测备用泵状态、检测提升泵状态及CAN双备份总线传输协议。