CN111177002A - 一种控制器参数无线分析调试的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制器参数无线分析调试系统和方法，包括调试计算机、上位机软件、无线数据收发器、子无线数据收发器、嵌入至目标机的嵌入交互软件包、目标机、被调参的控制器。其中，调试计算机中运行上位机软件，无线数据收发器通过USB接口与调试计算机通信，子无线数据收发器与无线数据收发器之间通过2.4GHz无线通信链路进行通信，无线数据收发器通过硬件接口与目标机进行连接通信，嵌入交互软件包运行于目标机中，完成对控制器中内部变量的观察和被调参数的修改。

Description

一种控制器参数无线分析调试的系统和方法

技术领域

本发明涉及自动化设备中控制器设计生产领域，具体为一种服务于控制器参数无线实时分析调试的系统和方法。

背景技术

自动化设备目前在消费电子、制造工业、机器人工业等领域得到了极为广泛的应用。在自动化设备、产品的生产过程中，其控制器的结构设计完成后需要按照控制器的实际工作情况对控制器的参数进行反复分析调试，以达到预期的效果。其分析调试工作的精度、智能化程度、效率对设备及产品的质量以及开发效率有着极大的影响。

目前在控制器设计中参数分析调试通常采用的方法是通过观察分析当前控制器工作效果并在集成开发环境(IDE)中对控制器的参数进行修改，而后对程序进行编译，再通过以有线方式连接至目标机的仿真器(Debugger)下载程序以实现对控制器的参数进行更新，循环重复这个过程直至控制器的效果能够达到理想状态为止。

传统的控制器参数分析调试方式中存在以下四个较大的缺点：

1.调试线缆冗杂，对设备的工作环境造成了干扰，设备的调试工作环境和正常工作环境之间存在差异，所调得参数不是正常工作环境下的最优参数，甚至所调得参数在正常工作环境下无法使用，影响了所调参数的质量。一般自动化装置都是在动态运动中，例如在调试四旋翼飞行器的控制器过程中，通过有线连接进行调试的方式十分繁琐，并且线缆的存在会对设备的运动产生影响，造成调试时工作环境和正常工作环境之间的差异，影响了所调参数的质量。

2.无法实时观测控制器内部变量或观测的方式不直观，导致调参过程盲目，所调得参数质量不高。在采用低端微处理器的控制系统中，由于没有与之配套的仿真器，故无法实时观测控制器内部变量。在采用中高端微处理器的控制系统中，虽然可以通过仿真器配合集成开发环境中的Watch来观察控制器内部变量的变化情况，但Watch 中的数据为数值数据类型，无法以直观的波形展现控制器内部变量的变化情况，不利于工作人员在控制器运行时对其内部变量的变化情况进行掌控及分析，导致所调得参数质量不高。

3.修改参数步骤繁琐，费时费力，同时降低了目标机芯片使用寿命。在目标机程序下载完成后控制器的参数将无法再进行修改，每次在需要更新参数时都需要对程序进行修改-编译-下载步骤，步骤繁琐，当整个自动化设备的程序规模较大时，每一次程序的编译、下载都将耗费大量的时间，费时费力，效率低下，同时消耗了芯片擦除次数，降低了芯片使用寿命。

4.控制器参数分析调试系统不通用，仅为某一特定控制器专用的参数分析调试系统，不具备通用性。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有控制器参数分析调试系统和方法中存在的上述四个缺点，本发明提出一种控制器参数无线分析调试的系统和方法，摆脱调试线缆干扰、避免调试线缆对所调参数质量的影响；实时观测控制内部变量、避免盲目调参并提升所调参数质量；实时修改参数、简化参数分析调试步骤从而降低工作的时间并提高效率；方便快捷地安装于有额外硬件接口的各种目标机中，通用性强。

技术方案

一种控制器参数无线分析调试系统，其特征在于包括调试计算机、上位机软件、无线数据收发器、子无线数据收发器、嵌入交互软件包、目标机、被调参控制器，调试机中运行上位机软件完成控制器内部变量的接收、曲线绘制及保存、数值显示及保存和控制器参数的修改，无线数据收发器通过USB接口与调试计算机连接进行数据传输，子无线数据收发器与无线数据收发器之间通过2.4GHz无线通信链路进行通信，子无线数据收发器通过硬件接口与目标机连接，在目标机里面运行嵌入式交互软件包完成被调参控制器内部变量观察以及参数修改。

所述的上位机软件包括数据收发模块、变量数值显示模块、变量数值保存模块、变量曲线绘制模块、变量曲线保存模块、参数实时修改模块；其中，数据收发模块可同时接收多个控制器内部变量、同时发送多个参数目标值，变量数值显示模块及变量数值保存模块可同时显示并保存多个控制器内部变量的数值，变量曲线绘制模块及变量曲线保存模块可同时绘制并保存多个控制器内部变量的曲线；参数实时修改模块可对控制器的多个参数进行修改。

所述的嵌入交互软件包包括变量观察功能模块、参数修改功能模块、通信初始化功能模块、通信功能模块；其中，通信初始化功能模块及通信功能模块支持硬件SPI 接口驱动方式和GPIO模拟接口驱动方式，变量观察功能模块可同时观察变量观察列表中的多个变量，参数修改功能模块可对参数修改列表中的多个被调参数进行调试修改。

一种控制器参数无线分析调试系统实现的调试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：连接子无线数据收发器至目标机，添加嵌入交互软件包至目标机中；

步骤2：判断目标机是否支持硬件SPI接口，若是则选择使用硬件SPI接口驱动子无线数据收发器，若否则选择使用GPIO模拟的接口驱动子无线数据收发器；

步骤3：将欲调试的控制器参数添加进嵌入交互软件包的参数修改列表；

步骤4：将欲分析的控制器内部变量添加进嵌入交互软件包的变量观察列表；

步骤5：连接无线数据收发器至调试计算机；

步骤6：运行调试计算机中的上位机软件，再运行目标机；

步骤7：嵌入交互软件包中通信功能模块将被调参控制器的内部变量经过两个无线数据收发器、子无线数据收发器传输发送至调试计算机中；

步骤8：调试计算机中将被调参控制器的内部变量进行实时曲线绘制及数值显示，同时对曲线和数值进行记录；

步骤9：在调试计算机中对控制器内部变量进行无线、实时地观察，判断能否根据实时曲线及数值对如何调参做出决策，若能则在调试计算机中直接对控制器参数进行更改；若不能则结合步骤8中记录的曲线和数值对如何调参先进行定量分析、计算，然后再进行参数调整；

步骤10：判断被调参控制器控制效果是否达到预期要求，若否则跳回至步骤8，若是则进行步骤11；

步骤11：移除目标机中的嵌入交互软件包，并对所调参数进行固化，控制器参数调试完成。

有益效果

本发明提出的一种控制器参数无线分析调试的系统和方法，消除了调参过程中线缆缠绕的影响、以曲线及数值方式实时直观地显示控制器内部变量、可对控制器内部变量的变化进行基于曲线的定性分析和基于数值的定量分析、避免了盲目调参、提升所调参数质量、能实时修改控制器参数、缩短控制器调参时间、减少研发人员在分析调试方面的工作量、节省控制器研发过成中的时间及人力成本。此外，本发明的一种控制器参数无线分析调试的系统成本低、体积小、易安装，并且对目标机的正常工作不产生任何影响，可适用于任何带有额外通信接口的目标机，具备使用便捷、通用性强的优点。

附图说明

图1为本发明的控制器参数无线分析调试系统的结构组成；

图2为本发明第一实施例的控制器参数无线分析调试方法的流程图；

图3为本发明第二实施例的控制器参数无线分析调试方法的流程图。

图4为本发明控制器参数无线分析调试方法的流程图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的一种控制器参数无线分析调试的系统，由调试计算机、上位机软件、无线数据收发器、子无线数据收发器、目标机、嵌入至目标机的嵌入交互软件包、被调参的控制器组成。

调试计算机中运行上位机软件，上位机软件将整型、浮点型等的被调参数的目标值以二进制无损形式发送给无线数据发器，实现对控制器中被调参数的实时修改。同时将来自无线数据收发器的控制器内部变量实时绘制为曲线并显示其数值，在必要时可对曲线和数值进行记录，以使研发人员能够结合直观的控制器内部变量变化曲线和控制器的实际工作状况，更加充分全面地分析评估当前参数下控制器的工作效果，从而对如何调整参数做出正确决策。

无线数据收发器作为子无线数据收发器与上位机软件之间的桥梁，通过USB接口连接至调试计算机，接收来自调试计算机中的上位机软件所发送的被调参数的目标值并将其发送给子无线数据收发器，并同时接收来自子无线数据收发器的控制器内部变量并将其发送给调试计算机中的上位机软件。

子无线数据收发器连接至目标机，在嵌入至目标机中嵌入交互软件包驱动下，完成控制器内部变量采集以及参数修改。

嵌入交互软件包采用宏定义的方式编写处理器平台无关的通用代码，其编写规范符合MISRA-C:2004标准，可以在各种不同的目标机平台上运行，移植性强。嵌入交互软件包提供了基于硬件SPI的子无线数据收发器驱动方式与基于GPIO模拟的子无线数据收发器驱动方式，当目标机提供有硬件SPI接口时选择基于硬件SPI的子无线数据收发器驱动方式，当目标机无硬件SPI接口时选择基于GPIO模拟的子无线数据收发器驱动方式。嵌入交互软件包接收来自子无线数据收发器的被调参数目标值并对被调参数进行更改，同时将被观察的控制器内部变量发送至子无线数据收发器。

本发明的一种控制器参数无线分析调试的方法，包括以下步骤：

(1)连接子无线数据收发器至目标机，添加嵌入交互软件包至目标机中；

(2)判断目标机是否支持硬件SPI接口，若是则选择使用硬件SPI接口驱动子无线数据收发器，若否则选择使用GPIO模拟的接口驱动子无线数据收发器；

(3)将欲调试的控制器参数添加进嵌入交互软件包的参数修改列表；

(4)将欲分析的控制器内部变量添加进嵌入交互软件包的变量观察列表；

(5)连接无线数据收发器至调试计算机；

(6)运行调试计算机中的上位机软件，再运行目标机；

(7)目标机中通信功能模块将控制器的内部变量经过两个数据收发器传输发送至调试计算机中；

(8)调试计算机中将控制器的内部变量进行实时曲线绘制及数值显示，同时对曲线和数值进行记录；

(9)研发人员在调试计算机中对控制器内部变量进行无线、实时地观察，判断能否根据实时曲线及数值对如何调参做出决策，若能则在调试计算机中直接对控制器参数进行更改。若不能则结合步骤(8)中记录的曲线和数值对如何调参先进行定量分析、计算，然后再进行参数调整；

(10)判断控制器控制效果是否达到预期要求，若否则跳回至步骤(8)，若是则进行步骤(11)；

(11)移除目标机中的嵌入交互软件包，并对所调参数进行固化，控制器参数调试完成。

如图1所示，本发明为一种控制器参数无线分析调试系统和方法，包括调试计算机1、上位机软件2、无线数据收发器3、子无线数据收发器4、嵌入至目标机的嵌入交互软件包5、目标机6、被调参的控制器7。其中，调试计算机1中运行上位机软件 2，无线数据收发器3通过USB接口与调试计算机1通信，子无线数据收发器4与无线数据收发器3之间通过2.4GHz无线通信链路进行通信，无线数据收发器4通过硬件接口与目标机6进行连接通信，嵌入交互软件包5运行于目标机6中，完成对控制器7中内部变量的观察和被调参数的修改。

本发明第一实施例，一种控制器参数无线分析调试方法，如图2所示，包括以下具体步骤：

第一步：如图2中8所示，通过硬件接口连接子无线数据收发器至目标机。

第二步：如图2中9、10、11和12所示，添加嵌入交互软件包至当前目标机，根据实际情况选择子无线数据收发器驱动方式；当目标机支持硬件SPI接口时选择使用硬件SPI接口驱动子无线数据收发器；当目标机硬件不支持硬件SPI接口时选择使用GPIO模拟的接口驱动子无线数据收发器。

第三步：如图2中13和14所示，将欲调试的控制器参数添加进嵌入交互软件包的参数修改列表，将欲分析的控制器内部变量添加进嵌入交互软件包的变量观察列表。

第四步：如图2中15和16所示，连接无线数据收发器至调试计算机并在调试计算机中运行上位机软件。

第五步：如图2中17和18所示，运行目标机，目标机中通信初始化功能模块进行子无线数据收发器的初始化配置。

第六步：如图2中19、20和21所示，目标机中变量观察功能模块获取控制内部变量，目标机中通信功能模块将控制内部变量经过两个无线数据收发器传输发送至调试计算机中，调试计算机中绘制控制器内部变量的实时曲线并显示其数值。

第七步：如图2中22所示，研发人员根据控制器内部变量变化曲线及数值对如何更改参数做出现场决策。

第八步：如图2中23、24、25所示，调试计算机中设置控制器中被调试参数的目标值，被调参数目标值经过两个无线数据收发器至目标机中通信功能模块，目标机中参数修改功能模块对控制器被调参数进行修改。

第九步：如图2中26所示，研发人员观察控制器控制效果是否达到预期效果，若否则跳回至步骤六，若是则进行下一步骤。

第十步：如图2中27所示，控制器参数调试完成，移除目标机中的嵌入交互软件包，对所调参数进行固化，至此，完成控制器参数调试。

本发明第二实施例，一种控制器参数无线分析调试方法，针对需要精确分析计算参数的场合，如图3所示。本发明的第二实施例所述方法与第一实施例中的方法不同之处在于图3中的28、29、30。区别在于本发明第二实施例能对控制器内部变量的曲线及数值进行保存，以数值化的方式精确分析计算控制器的参数，所调参数可满足更高的指标要求，包括以下具体步骤：

第一步：如图3中8所示，通过硬件接口连接子无线数据收发器至目标机。

第二步：如图3中9、10、11和12所示，添加嵌入交互软件包至当前目标机，根据实际情况选择子无线数据收发器驱动方式；当目标机支持硬件SPI接口时选择使用硬件SPI接口驱动子无线数据收发器；当目标机硬件不支持硬件SPI接口时选择使用 GPIO模拟的接口驱动子无线数据收发器。

第三步：如图3中13和14所示，将欲调试的控制器参数添加进嵌入交互软件包的参数修改列表，将欲分析的控制器内部变量添加进嵌入交互软件包的变量观察列表。

第四步：如图3中15和16所示，连接无线数据收发器至调试计算机并在调试计算机中运行上位机软件。

第五步：如图3中17和18所示，运行目标机，目标机中通信初始化功能模块进行子无线数据收发器的初始化配置。

第六步：如图3中19、20和21所示，目标机中变量观察功能模块获取控制内部变量，目标机中通信功能模块将控制内部变量经过两个无线数据收发器传输发送至调试计算机中，调试计算机中绘制控制器内部变量的实时曲线并显示其数值。

第七步：如图3中28、29、30所示，当研发人员无法根据控制器内部变量变化曲线及数值对如何更改参数做出现场决策时，进行控制器内部变量的曲线、数值进行保存记录，根据保存记录的结果进行定量计算分析，寻求控制器最优参数。

第八步：如图3中23、24、25所示，调试计算机中设置控制器中被调试参数的目标值，被调参数目标值经过两个无线数据收发器至目标机中通信功能模块，目标机中参数修改功能模块对控制器被调参数进行修改。

第九步：如图3中26所示，研发人员观察控制器控制效果是否达到预期效果，若否则跳回至步骤六，若是则进行下一步骤。

第十步：如图3中27所示，控制器参数调试完成，移除目标机中的嵌入交互软件包，对所调参数进行固化，至此，完成控制器参数调试。

Claims (4)

1.一种控制器参数无线分析调试系统，其特征在于包括调试计算机(1)、上位机软件(2)、无线数据收发器(3)、子无线数据收发器(4)、嵌入交互软件包(5)、目标机(6)、被调参控制器(7)，调试机(1)中运行上位机软件(2)完成控制器内部变量的接收、曲线绘制及保存、数值显示及保存和控制器参数的修改，无线数据收发器(3)通过USB接口与调试计算机(1)连接进行数据传输，子无线数据收发器(4)与无线数据收发器(3)之间通过2.4GHz无线通信链路进行通信，子无线数据收发器(4)通过硬件接口与目标机(6)连接，在目标机(6)里面运行嵌入式交互软件包(5)完成被调参控制器(7)内部变量观察以及参数修改。

2.根据权利要求1所述的一种控制器参数无线分析调试系统，其特征在于所述的上位机软件(2)包括数据收发模块、变量数值显示模块、变量数值保存模块、变量曲线绘制模块、变量曲线保存模块、参数实时修改模块；其中，数据收发模块可同时接收多个控制器内部变量、同时发送多个参数目标值，变量数值显示模块及变量数值保存模块可同时显示并保存多个控制器内部变量的数值，变量曲线绘制模块及变量曲线保存模块可同时绘制并保存多个控制器内部变量的曲线；参数实时修改模块可对控制器的多个参数进行修改。

3.根据权利要求2所述的一种控制器参数无线分析调试系统，其特征在于所述的嵌入交互软件包(5)包括变量观察功能模块、参数修改功能模块、通信初始化功能模块、通信功能模块；其中，通信初始化功能模块及通信功能模块支持硬件SPI接口驱动方式和GPIO模拟接口驱动方式，变量观察功能模块可同时观察变量观察列表中的多个变量，参数修改功能模块可对参数修改列表中的多个被调参数进行调试修改。

4.一种由权利要求3所述的控制器参数无线分析调试系统实现的调试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：连接子无线数据收发器(4)至目标机(6)，添加嵌入交互软件包(5)至目标机(6)中；

步骤2：判断目标机(6)是否支持硬件SPI接口，若是则选择使用硬件SPI接口驱动子无线数据收发器(4)，若否则选择使用GPIO模拟的接口驱动子无线数据收发器(4)；

步骤3：将欲调试的控制器参数添加进嵌入交互软件包(5)的参数修改列表；

步骤4：将欲分析的控制器内部变量添加进嵌入交互软件包(5)的变量观察列表；

步骤5：连接无线数据收发器(3)至调试计算机(1)；

步骤6：运行调试计算机(1)中的上位机软件(2)，再运行目标机(6)；

步骤7：嵌入交互软件包(5)中通信功能模块将被调参控制器(7)的内部变量经过两个无线数据收发器(3)、子无线数据收发器(4)传输发送至调试计算机(1)中；

步骤8：调试计算机(1)中将被调参控制器(7)的内部变量进行实时曲线绘制及数值显示，同时对曲线和数值进行记录；

步骤9：在调试计算机(1)中对控制器内部变量进行无线、实时地观察，判断能否根据实时曲线及数值对如何调参做出决策，若能则在调试计算机(1)中直接对控制器参数进行更改；若不能则结合步骤8中记录的曲线和数值对如何调参先进行定量分析、计算，然后再进行参数调整；

步骤10：判断被调参控制器(7)控制效果是否达到预期要求，若否则跳回至步骤8，若是则进行步骤11；

步骤11：移除目标机(6)中的嵌入交互软件包(5)，并对所调参数进行固化，控制器参数调试完成。

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