CN111427303B - 一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，属于模拟器测控领域，本发明分析了现有机务模拟器测控系统的优缺点，采用PLC作为下位机的优势以及面临的问题，并自己提出了多点测量补偿法，通过双主机分时测控方案，对模拟量等进行测控。搭建了PLC单、双主机测控平台，单主机平台用来测试PLC单主机的测控速度，双主机平台用来提升测控系统的测控速度。同时，利用梯形图编程软件实现了输入的模拟量的归一化处理。通过不断改进，我们从硬件上采用双主机测控，同时在软件上采用多线程技术与双主机结合，进一步优化测控系统，充分利用了上位机CPU的资源，显著提高了测控系统的测控速度与精度，解决了PLC单主机对模拟量测控速度慢的问题。

Description

一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统

技术领域

本发明涉及模拟器测控领域，具体地说是一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统。

背景技术

机务模拟器用于模拟飞机各系统(机载设备)的工作过程，使训练人员熟悉其操纵规律，了解其工作性能，提升训练人员的维修能力。机务模拟器的应用可以有效提高航空装备维修人员的维修技术水平，对于降低航空装备全寿命周期内的维护费用具有十分重要的意义。

目前，机务模拟器测控系统所采用的测控方式主要有测控卡测控、单片机测控、ARM测控等，这几种测控技术十分成熟，被广泛应用于工业生产当中，而且这几种测控方式具有使用方便、灵活、测控速度快等优点。但是，在机务模拟器使用的过程中发现，以ARM等测控方式进行测控时，在使用一定年限后其可靠性难以保证，特别是在使用期超过三年以后，故障率上升很快。

现有PLC技术十分成熟，该技术可以通过数字式或者模拟式的输入输出接口，对各种类型的机械或生产过程进行控制，具有可靠性高、抗干扰能力强，功能完善、适应性强，编程简单、使用简便，体积小、重量轻、能耗低，维修工作量小等优点。通过比较和分析PLC技术与上述几种测控方式的优缺点，我们拟采用PLC技术进行模拟器测控系统设计，以解决上述问题。但是PLC的测控速度特别是对模拟量的测控速度，无法满足机务模拟器的测控速度要求，所以，我们课题要在对测控系统整体设计的基础上，重点解决模拟量测控速度问题。通过查阅国内文献，目前PLC技术在机务模拟器测控系统的应用仍是空白，因此，本课题所面临的困难是未知的。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术中测控卡测控、ARM测控等测控方式使用期限超过三年后故障率上升速度快、可靠性降低等问题，提供一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，以提高机务模拟器的使用寿命及可靠性，降低其全寿命周期内的维护费用。

本发明模拟器的测控系统设计过程中，主要遵循以下几个原则：

(1)测控系统处理速度快。机务模拟器主要用于模拟飞机驾驶舱的环境以及控制，驾驶舱内分布有电机表、开关、显示灯、数码管等多类型的器件，为了保证机务人员在座舱内能够实时观察到飞机的各项数据变化，测控系统的处理速度必须要符合要求，机务模拟器的测控系统处理速度不能低于25次/秒。

(2)测控系统通用性强。现代测控系统发展迅猛，系统更新换代的周期变短，而模拟器的使用年限较长，因此通用性强的测控系统可以通过不同的开发平台不断进行更新，提高测控系统的可操作性。

(3)测控系统可靠性高。机务模拟器作为部队的训练装备，必须要保证部队训练的时间和效率，机务模拟器的可靠性高，可以提高部队的训练效率，同时降低装备使用维护的成本。

(4)测控系统环境适应性强。测控系统如果能够适应各种环境条件，就不需要专门的空间来保证其恒定的工作环境，同时，良好的环境适应性可以大大提高模拟器的可靠性和可维修性指标，降低使用维护成本。

本发明的设计原理如下：

采用双PLC主机(简称A、B主机)进行分时测控，采用自主命名的多点测量补偿法。由于开关量与脉冲量等不是连续变化的量，对测控速度要求不需要太高，因此本方法主要用于提高模拟量的测控速度，通过测试出单主机测控周期T，把A、B主机的运行时间设置间隔T/2，A主机先运行，B主机后运行，把B主机的测控数据作为补偿数据，将A、B的测控数据按照测控时间先后进行整合，最后得到双主机的测控数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，该测控系统从上到下由主控计算机、测控计算机(上位机)、PLC主机(下位机)、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、脉冲量输入输出模块组成，工作任务就是对开关量、模拟量、脉冲量进行测控；

其中主控计算机负责将测控计算机上传的数据进行可视化显示，同时协调各测控计算机的正常工作运行；

其中测控计算机(上位机)负责将从下位机读取的各种开关量、模拟量的状态数据进行解析，上传给主控计算机；接收并解析主控计算机的测控命令，随后将命令下达给PLC主机；

其中PLC主机(下位机)负责对各种开关量、模拟量进行实时测控，并将测控数据打包发送给测控计算机；接收测控计算机的测控命令，对相应的开关量、模拟量、脉冲量进行控制，具体地：

PLC主机自身有开关量输入输出端口，开关量输出端接0-3号告警灯，模拟3个不同的告警提示，在输入端接入3个开关，模拟3个不同的开关状态，在PLC主机右端的扩展接口通过排线连接模拟量输入输出模块，模拟量输入输出模块的输入端口分别接入4个电位计，模拟油门杆的变化情况，在输出端连接1个电压表和1个步进电机驱动器，步进电机驱动器连接步进电机，根据输出的模拟量信号来驱动步进电机。

方案优选地，针对模拟量的测控速度问题，采用双主机(以下简称A、B主机)分时处理方案，在A主机测控的两个周期间隔中间，用B主机进行测控(作为补测数据)，最后通过程序编程，把A、B主机的数据按照测控顺序进行显示处理，通过显示器直观地展示模拟量的变化曲线，具体地：

包括2个PLC主机、2个模拟量输入输出模块、4个电位计，两个PLC主机采用220V交流电供压，两个扩展模块通过排线分别与各自主机相连，并通过各自主机的24V直流输出电源供压，两个扩展模块的输入端口分别按照并联的方式接入相应的电位计；两台PLC主机通过各自的通讯接口与测控计算机(上位机)进行连接。

方案优选地，针对开关量的测控，测控系统对开关量的测量主要是测量开关、按钮的状态变化，对开关量的控制主要是对告警灯、提示灯进行控制，具体来说：

S100、PLC程序采用循环扫描的方式进行I/O端口的扫描，将采集到的数据存储在PLC内部的数据寄存器内；

S101、当上位机与PLC主机建立通信，就可以读取寄存器内的数据来判断开关、按钮状态；

S102、当上位机发出控制指令后，通过PLC自身的I/O输出模块，将电信号放大来控制告警灯的亮或者灭。

方案优选地，针对模拟量的测控，测控系统对模拟量的测量主要是测量油门杆、推杆、旋钮的位置变化，此时需要比较高的测控速度要求，才能保证测控系统可以实时测量模拟量的变化，对模拟量的控制主要是对仪表指针进行驱动，具体来说：

S200、油门杆、旋钮位置变化点有无数个，通过转动或者位移传感器将位移量转化为电压模拟量；

S201、PLC的模拟量输入输出模块可以进行A/D和D/A转换，将电压模拟量转化成数字量存储在PLC的寄存器中；

S202、PLC主机通过打包数据传给上位机，上位机进行数据处理，并上传给主控计算机；

S203、上位机对仪表的控制，在PLC扩展模块中将数字信号转换成电压模拟量信号，驱动电压表工作。

方案优选地，针对脉冲量的测控，脉冲量在工业生产中可以用于计数及其他功能，具体来说：

S300、测控系统主要是对步进电机进行驱动，上位机向PLC主机发送控制指令，

S301、PLC主机收到指令后将数字信号转换成脉冲信号，

S302、再经过步进电机驱动器，把脉冲信号进一步放大，

S303、最后就可以根据脉冲信号及持续时间驱动步进电机的工作。

方案优选地，所述测控计算机通过RS-232通讯接口与PLC主机进行通讯，针对编程用到的基于串口的FATEK协议说明如下：

首先，在与FATEK PLC端建立连接时需要打开串口，才可以与PLC主机进行通信，下面为函数原型：

HANDLE OpenComm(int port,long Baud,int Parity,int dlen)；

其中port为PC机的串口号，如COM1的编号为1，COM2的编号为2，以此类推；Baud为通讯速率(波特率)，我们采用的波特率为115200；Parity为校验，0—无校验，1—奇校验，2—偶校验，永宏PLC采用奇校验；dlen为字符长度，默认为8.

当系统不再进行数据传输，程序退出时，需要关闭串口，函数原型为：

void CloseComm(HANDLE hComm)；

其中，hComm表示OpenComm()打开的串口句柄；

最主要的工作就是寄存器数据的读写，其中读取的函数原型为：

int ReadFATEKReg(HANDLE ComHandle,int slave,char far*reg,long *data)；

int WriteFATEKReg(HANDLE ComHandle,int slave,char far*reg,long data)；

其中ComHandle为串口句柄，slave为PLC的访问地址，Reg为寄存器名称，data为返回的4字节类型的数据；

在读写过程中，需要向串口发送校验码(即查询命令)，数据能够立即返回给测控计算机，函数原型为：

int WriteComm(HANDLE hCom,unsigned char*s,int len)；

其中s是待发送的字符数组，我们发送的就是永宏FATEK协议的校验码，len是待发送的字符个数，当函数返回0表示发送失败，X表示实际发送给串口的字符个数。

方案优选地，所述PLC主机为永宏FATEK-FBs系列的PLC模块，右侧I/O端口可扩接扩展模块，主机型号为FBs-32MCR2-AC，采用220V交流供电，具有24V直流输出，可直接为扩展模块供电，扩展模块是FBs-4A2D的模拟量输入输出模块，它分别有四个输入端子和输出端子。

方案优选地，利用梯形图编程软件将输入的模拟量进行归一化处理，通过PLC内部主机对模拟量进行了归一化处理，先对电位计的最大和最小位置的值进行测量，然后使用固定的最大最小值进行归一化处理。

方案优选地，针对单主机程序的流程，通过计数的方法，累计1秒钟内读取数据的次数，从而确定其测控速度方面的性能；在程序开始时上位机与PLC主机开始打开串口，程序通过定时器，每隔50ms触发接收一次端口的数据包，若超时50ms，则程序会重新进行读取，读取的数据放在一个定义好的数组里，程序每成功运行一次测控次数+1，当经过一秒钟之后，把得到的测控次数与一秒钟前的次数相减，得到1秒钟内测控的次数，也就是测控次数每经过一秒就会更新一次，同时把数据存入到一个文本文件中。

方案优选地，针对双主机程序的工作流程，与单主机程序类似，在程序中定义一个全局变量且初始为0，作为测控次数的计算，在程序开始运行时先同时打开两个串口，在读取数据前获得一个初始时间，然后A主机开始读取数据，读取过程中会判断读取是否超时，如果不超时，说明数据读取成功，数据保存至txt文件中，同时测控次数+1，间隔T/2毫秒后，B主机开始读取数据，工作过程与A主机类似，1秒钟后将测控次数与1秒钟前的次数相减，能够得出1秒钟内双主机测控系统的测控次数。

本发明的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，与现有技术相比所产生的有益效果是：

1、分析了现有机务模拟器测控系统的优缺点，采用PLC作为下位机的优势以及面临的问题，并自己提出了多点测量补偿法，通过双主机分时测控方案，对模拟量等进行测控。

2、搭建了PLC单、双主机测控平台，单主机平台用来测试PLC单主机的测控速度，双主机平台用来提升测控系统的测控速度。同时，利用梯形图编程软件实现了输入的模拟量的归一化处理。

3、通过VC++6.0软件对测控系统进行程序编写，设计出了单主机速度测试程序，以及双主机测控系统，并对测控系统进行改进，运行得出相应的结果。

4、对单双主机的测控数据进行分析，并得到相应结论，同时通过多线程技术，在软件方面进行了优化，对多线程与单线程的数据进行分析，并得到相应的结论。

通过不断改进，我们从硬件上采用双主机测控，同时在软件上采用多线程技术与双主机结合，进一步优化测控系统，充分利用了上位机CPU的资源，显著提高了测控系统的测控速度与精度，解决了PLC单主机对模拟量测控速度慢的问题，双主机测控系统可以在一定范围内进行推广。

5、本发明采用双PLC主机(简称A、B主机)进行分时测控，采用自主命名的多点测量补偿法。由于开关量与脉冲量等不是连续变化的量，对测控速度要求不需要太高，因此本方法主要用于提高模拟量的测控速度，通过测试出单主机测控周期T，把A、B主机的运行时间设置间隔T/2，A主机先运行，B主机后运行，把B主机的测控数据作为补偿数据，将A、B的测控数据按照测控时间先后进行整合，最后得到双主机的测控数据。

经过测试，测控系统最终能够满足我们的要求，运行工作稳定，有效提高了机务模拟器的可靠性与可维护性，值得在一定范围内进行推广。

采用PLC技术将显著地提高机务模拟器测控系统的可靠性，同时有效降低周期寿命内的维修费用，对于机务模拟器的推广使用具有重要的意义，对促进机务模拟器测控系统的发展也具有十分重要的意义。

附图说明

附图1是本发明永宏PLC与外围设备的主仆系统关系图；

附图2是本发明永宏FATEX通讯命令格式图；

附图3是本发明测控系统整体电路图；

附图4是本发明测控系统的结构框图；

附图5是本发明单主机平台电路图；

附图6是本发明单极性5V(10mA)摆动范围；

附图7是本发明数据极性转换梯形图；

附图8是本发明模拟量归一化梯形图；

附图9是本发明PLC双主机电路图；

附图10是本发明单主机程序运行流程图；

附图11是本发明单主机运行结果图；

附图12是本发明单双主机测控周期示意图；

附图13是本发明双主机程序运行流程图；

附图14是本发明双主机运行结果图；

附图15是本发明A主机数据图；

附图16是本发明B主机数据图；

附图17是本发明单主机测控电位计1散点图；

附图18是本发明双主机测控电位计1散点图；

附图19是本发明单双主机数据散点图；

附图20是本发明单主机程序运行极限次数；

附图21是本发明单线程程序运行结果；

附图22是本发明多线程程序运行结果；

附图23是本发明单线程数据曲线图；

附图24是本发明多线程数据曲线图；

附图25是本发明单线程数据图；

附图26是本发明多线程数据图。

具体实施方式

下面结合附图1-26，对本发明的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统作以下详细说明。

1.测控系统方案设计

本发明所设计的测控系统从上到下主要由主控计算机、测控计算机(上位机)、PLC主机(下位机)、各种开关、按钮、告警灯、指示灯、油门杆、旋钮、推杆、仪表指针、步进电机等组成，工作任务就是对开关量、模拟量、脉冲量等进行测控。

主控计算机的主要任务就是：将测控计算机上传的数据进行可视化显示，同时协调各测控计算机的正常工作运行。

测控计算机(上位机)的主要任务就是：将从下位机读取的各种开关量、模拟量的状态数据进行解析，上传给主控计算机；接收并解析主控计算机的测控命令，随后将命令下达给PLC主机。

PLC主机(下位机)的主要任务就是：对各种开关、按钮等的状态以及旋钮、推杆等的位置变化进行实时测控，并将测控数据打包发送给测控计算机；接收测控计算机的测控命令，对各种告警灯、仪表、电机等进行控制。

1.1开关量的测控

测控系统对开关量的测量主要是测量开关、按钮的状态变化，对开关量的控制主要是对告警灯、提示灯等进行控制。PLC程序采用循环扫描的方式进行I/O端口的扫描，将采集到的数据存储在PLC内部的数据寄存器内。当上位机与PLC主机建立通信，就可以读取寄存器内的数据来判断开关、按钮等状态；当上位机发出控制指令后，通过PLC自身的I/O输出模块，将电信号放大来控制告警灯的亮或者灭。

1.2模拟量的测控

测控系统对模拟量的测量主要是测量油门杆、推杆、旋钮等的位置变化，此时需要比较高的测控速度要求，才能保证测控系统可以实时测量模拟量的变化，对模拟量的控制主要是对仪表指针进行驱动。油门杆、旋钮等位置变化点有无数个，通过转动或者位移传感器等可以将位移量转化为电压模拟量，PLC的模拟量输入输出模块可以进行A/D和D/A转换，因此电压模拟量可以转化成数字量存储在PLC的寄存器中，PLC主机通过打包数据传给上位机，上位机进行数据处理，并上传给主控计算机；上位机对仪表的控制，在PLC扩展模块中将数字信号转换成电压模拟量信号，驱动电压表工作。

1.3脉冲量的测控

脉冲量在工业生产中可以用于计数及其他功能，我们的测控系统主要是对步进电机进行驱动，上位机向PLC主机发送控制指令，PLC主机收到指令后将数字信号转换成脉冲信号，再经过步进电机驱动器，把脉冲信号进一步放大，最后就可以根据脉冲信号及持续时间驱动步进电机的工作。

1.4上下位机通信方案

我们通过RS-232接口将上位机与PLC主机进行通讯。RS-232是现在主流的串行通信接口之一，它被广泛用于计算机串行接口外设连接。连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。我们的测控系统设计主要是实验型工作，所以距离比较短，不需要考虑通信距离对数据传输速度的影响。

1.5多点测量补偿法方案

模拟器中的开关量变化是间断的，在短时间内(1秒钟)的变化不会太频繁，而且人的反应能力在0.1s内是无法察觉到其变化，因此PLC的测控速度可以满足开关量的测控要求。模拟量的变化是连续不断的，当模拟量变化的速度较快、范围较大时，如果PLC的测控周期过长，会导致相邻两个数据点的变化量过大，无法得到连续平滑的显示效果，会产生视觉上的顿挫感，所以我们主要的工作是提高模拟量的测控速度。

因此，我们针对模拟量的测控速度问题提出了自主命名的多点测量补偿法，采用双主机(以下简称A、B主机)分时处理方案，在A主机测控的两个周期间隔中间，用B主机进行测控(作为补测数据)，理论上这样可以使模拟量的测控周期缩短一半，测控速度可以提升一倍，可以达到提升测控速度的目的。最后通过程序编程，把A、B主机的数据按照测控顺序进行显示处理，通过显示器直观地展示模拟量的变化曲线，这样理论上能够解决模拟量测控不连贯的问题。

2.下位机PLC平台的搭建

2.1永宏PLC概述

我们使用的是永宏FATEK-FBs系列的PLC模块，它是一款外型小巧功能性能相仿于大型PLC的新一代小型PLC。FBs主机有MA(经济型)、MC(高性能型)及MN(高速NC型)等三大类，右侧(I/O)端口可扩接扩展机以及各种模块，可扩展DI/DO共15种机型，可扩展NI/NO共19种机型，左侧是通讯扩展端口，可以扩展RS232、RS485、USB、Ethernet等多种通讯模块。我们采用的主机具体型号是FBs-32MCR2-AC，它是采用220V交流供电，具有24V直流输出，可以直接为扩展模块供电。采用的扩展模块是FBs-4A2D的模拟量输入输出模块，它分别有四个输入端子和输出端子。

永宏PLC与外围设备的通讯中，永宏PLC均被称为仆系统(SLAVE)，而任何与永宏PLC连接的外围设备都为主系统(MASTER)，也就是说任何外围设备与永宏PLC之间的通讯都是主系统先主动发出命令，仆系统只有在收到命令信息后才会根据主系统命令的要求响应信息给主系统，而不能给主系统主动发送信息，如附图1所示。

FBs-PLC内建有一个通讯端口(Port0)，在型号的名称中，CB代表通讯板(Communication Board)、CM代表通讯模块(Communication Module)，E则代表以太网络(Ethernet)接口。FBs-CBE具有Link、TX、RX指示灯。其中Port 0是只能使用永宏FATEX通讯协议的端口，这种通讯端口是由PLC内的主机来控制该通讯端口，并用永宏“标准通讯驱动程序”来管理该端口的通讯(也就是“永宏FATEX通讯协议”)。任何对该端口数据的存储或者读取，都必须符合“永宏FATEX通讯协议”的格式，PLC才会反应。通讯命令包括起始字符、站号、命令码、本文资料、校验码、结尾字符等，如图2所示。

其中，出厂时仆站号码都设置为1，站号的更改及设定必须通过WinProladder软件来执行。校验码是将前述①～④各字段的所有ASCII字符的16进制数值以“纵式余数查核法”计算产出一个字节长度的校码，当接收端收到信息后通过同样的计算方法则将①～④字段的所有字符算出其校验码，两个值相同代表传输的数据正确，否则就是有传输错误发生。

通讯功能中最主要的功能在于读取或写入PLC内部组件(单点或缓存器)的数据或者状态。因此必须明白PLC内部到底有哪些组件可供选用，以及如何来指定它们。下表1为永宏PLC可供存取的单点与缓存器及其地址指定方法：

表1 PLC单点及缓存器地址

因此，按照规定的格式代码，向PLC发送需要读取的数据位置校验码，随后PLC就会对校验码进行解读无误后，就会返回相应的数据，最后在上位机对数据进行解析，就能得到所需要的数据了。

2.2 PLC测控平台设计

2.2.1测控系统整体平台的搭建

我们的测控系统既要对开关、按钮状态等开关量以及旋钮、推杆位置变化等模拟量进行测量，还要对灯、数码管、电机等进行控制。不仅需要我们在搭建电路时注意线路之间的串并联关系，更需要注意在软件设计过程中注意程序的逻辑关系，防止测控系统在运行过程中出现“测非所测，控非所控”的情况。

我们所设计的测控系统从上到下主要由主控计算机、测控计算机(上位机)、PLC主机(下位机)、各种开关、按钮、告警灯、指示灯、油门杆、旋钮、推杆、仪表指针、步进电机等组成，工作任务就是对开关量、模拟量、脉冲量等进行测控。

主控计算机的主要任务就是：将测控计算机上传的数据进行可视化显示，同时协调各测控计算机的正常工作运行。

测控计算机(上位机)的主要任务就是：将从下位机读取的各种开关量、模拟量的状态数据进行解析，上传给主控计算机；接收并解析主控计算机的测控命令，随后将命令下达给PLC主机。

PLC主机(下位机)的主要任务就是：对各种开关、按钮等的状态以及旋钮、推杆等的位置变化进行实时测控，并将测控数据打包发送给测控计算机；接收测控计算机的测控命令，对各种告警灯、仪表、电机等进行控制。

考虑到我们所设计的测控系统是试验型的，既要有模拟量的测控又要有开关量的测控，所以我们选择每种不同量的代表仪器来搭建我们测控系统的硬件平台，测控系统的组成主要有3盏告警灯、3个开关、4个电位计(模拟油门杆)、1个步进电机、1个电压表、1台PLC主机、1个模拟量输入输出模块，PLC主机自身有开关量的输入输出端口，所以我们在开关量输出0～3号盏告警灯，模拟3个不同功能的告警提示，在输入端接入3个开关，模拟3个不同功能的开关状态。在PLC主机右端的扩展接口通过排线连接模拟量的输入输出模块，模拟量输入输出模块的输入端口分别接入4个电位计，模拟油门杆的变化情况，在输出端连接1个电压表和1个步进电机驱动器，步进电机驱动器连接步进电机，根据输出的模拟量信号来驱动步进电机。搭建的电路图如图3所示。

PLC程序负责测控、数据缓存以及打包发送；上位机程序完成数据接收、解析、存储、图形化显示以及历史数据查询等功能。当测控系统需要测量各个仪器状态时，会发送查询指令给测控计算机，测控计算会读取PLC主机串口端的数据包，把数据包的数据进行解析并上传给主控计算机。模拟量的输入输出信号，不同的仪器有不一样的形式，因此需要经过模拟量的输入输出模块进行模数转换，再把数据传给PLC主机，PLC主机本身有开关量的输入输出模块，因此PLC主机可以把模拟量模块传过来的数据和自身开关量的数据进行打包，发送给测控计算机，

测控计算机对数据包进行解析，并上传给主控计算机。当测控系统要对各个仪器进行控制时，主控计算机会发送控制指令给测控计算机，测控计算机会对主控计算机的命令进行解析，然后把命令发送给PLC主机，由PLC主机再控制各仪器的状态，测控系统的结构框图如图4所示。

由于我们课题的工作重心是提高测控系统对模拟量的测控速度，为突出我们课题研究所设计的测控系统的意义，我们又单独搭建了针对模拟量测控的平台，具体对模拟量测控速度提升工作进行详细介绍。

2.2.2单主机平台的搭建

我们搭建单主机测控平台，主要是为了测试PLC的单机测控速度，以及与双主机之间的数据和速度进行比较，突出我们设计的双主机测控系统的意义。我们采用一个PLC主机、一个模拟量输入输出模块以及四个电位计进行搭接，用220V交流电对主机供电，主机直接输出24V直流电对扩展模块进行供电，用5V直流电对四个电位计进行供电，电路图如图5所示。

2.2.3模拟量的归一化实现

模拟量的转化主要目的是将模拟量的输出值进行归一化处理，使模拟量输入保持在0～1000的范围内变化，为了减少计算机的工作量，我们利用PLC的内部处理器实现模拟量的转换。

永宏PLC使用的编程软件是WinProladder，用以编写梯形图，其便捷通俗的软件操作界面以及具有强大、易懂的指令系统，我们使用起来上手很快。

编程的目的是通过PLC本身CPU，对采集的模拟量进行变换，然后存放在另一个地址中，这样，我们通过计算机进行通信时，就可以直接使用数据。首先我们需要了解PLC数据储存的配置形式(如表2)，才能更好地理解我们所做的工作。从表2中，我们可以看到，外界模拟量的输入被缓存在R3840～R3903中，其缓存位置根据输入量的个数从R3840依次递增，同时我们可以看到R3000～R3839是非保持型的资料暂存区，因此我们下一步可以将转换好的数据放入其中的几个位置保存。

表2单点及缓存器配置表

下一步需要解决输入量的极性问题，所谓极性问题就是输出码的格式问题，单极性输出值摆动范围为0～16383而双极性的输出值范围为-8192～8191(如图6)，输出值的范围越大，输出的数据点越连续，我们希望输出值范围是大于0的，所以选择单极性最为合适。

而由于模块本身插销位置为双极性，因此我们通过软件编写梯形图程序来设定输出码的格式，如图7所示：

然后再进行数据归一化处理，我们希望得到0～1000的连续数据输出，而采集到的数据经过极性变换之后在7000～11000左右摆动，所以我们由数学公式:

其中x为电位计实时数据，a为电位计数据的最小值，b为最大值，编写梯形图程序如图8所示：

PLC主机始终依照从上到下的次序扫描用户程序，而且PLC的数据存储形式均为整数，所以上式中必须先进行乘法运算，再进行除法运算，除法运算中默认是16位的数字计算，我们需要选择32位的数字计算，否则计算结果的精度无法得到保证。这样，通过梯形图编程就可以将四个电位计的输出值变化范围归一化成0～1000。

2.2.4双主机平台的搭建

机务模拟器中的模拟量主要有油门推杆、旋钮等，对机务模拟器的工作中有非常重要的作用，如果对其状态变化的测量不够准确细致的话，可能会严重影响模拟器的使用性能，甚至模拟器可能会失去其存在的价值。因此，模拟器的测控系统对于模拟器的正常运作是十分重要的。采用PLC作为下位机，由于PLC单主机对模拟量的测控速度满足不了机务模拟器测控系统的要求，所以，我们提出采用双主机分时测控的方式，理论上是可以提高模拟量的测控速度的，如果该方法能够实践成功，对机务模拟器测控系统的发展具有重要的意义。

我们最终的测控系统是在单主机的基础上，增加了一个主机和模拟量模块，主要解决的是模拟量测控速度问题，这也是我们课题核心的工作内容。我们搭建的双主机平台包括2个PLC主机、2个模拟量输入输出模块、4个电位计，两个PLC主机采用220V交流电供压，两个扩展模块通过排线分别与各自主机相连，并通过各自主机的24V直流输出电源供压，两个扩展模块的输入端口分别按照并联的方式接入相应的电位计。两台PLC主机通过各自的RS-232接口，采用UDP协议进行通讯，与上位机进行连接。搭建的电路图如图9所示。

通过双主机进行分时测控，采用多点测量补偿法，先将两台主机的测控周期进行测试，确定测控周期，然后对两台PLC主机测控的起始时间设置一定的时间差。这样，两台主机可以分别测一段变化范围内的不同位置点的数据，并在上位机对数据进行处理，在显示器将数据的变化通过软件进行可视化显示，通过图线形式直观地展示在人们的面前。在相同时间内，双主机测量的数据点的个数与单主机测量的个数之差，就是测控系统增加的测控次数，把增加的次数除以时间就能够得到测控速度的增加量。

3.测控系统软件设计与实现

测控系统的设计主要通过VC++6.0编程软件进行编写，上位机与下位机通过RS-232接口。因此，我们需要对编程用到的基于串口的FATEK协议进行解释说明。

首先，在与FATEK PLC端建立连接时需要打开串口，才可以与PLC主机进行通信，下面为函数原型：

HANDLE OpenComm(int port,long Baud,int Parity,int dlen)；

其中port为PC机的串口号，如COM1的编号为1，COM2的编号为2，以此类推；Baud为通讯速率(波特率)，我们采用的波特率为115200；Parity为校验，0—无校验，1—奇校验，2—偶校验，永宏PLC采用奇校验；dlen为字符长度，默认为8.

当系统不再进行数据传输，程序退出时，需要关闭串口，函数原型为：

void CloseComm(HANDLE hComm)；

其中，hComm表示OpenComm()打开的串口句柄。

最主要的工作就是寄存器数据的读写，其中读取的函数原型为：

int ReadFATEKReg(HANDLE ComHandle,int slave,char far*reg,long *data)；

int WriteFATEKReg(HANDLE ComHandle,int slave,char far*reg,long data)；

其中ComHandle为串口句柄，slave为PLC的访问地址，Reg为寄存器名称，data为返回的4字节类型的数据。

在读写过程中，需要向串口发送校验码(即查询命令)，数据能够立即返回给测控计算机，函数原型为：

int WriteComm(HANDLE hCom,unsigned char*s,int len)；

其中s是待发送的字符数组，我们发送的就是永宏FATEK协议的校验码，len是待发送的字符个数，当函数返回0表示发送失败，X表示实际发送给串口的字符个数。

3.1单主机测控设计与速度测试

PLC测控速度的快慢对于机务模拟器测控系统来说是一个关注点，特别是对模拟量来说尤为重要，由于计算机与PLC建立通信需要一定的时间，同时还需要对读取的数据进行解析，因此，我们需要对PLC的测控速度进行测试，以评估单个PLC主机的测控速度能否满足机务模拟器测控系统的要求。

由于VC++6.0语言的可移植性好,硬件控制能力强,图像控制和运算效率高我们采用VC++6.0编程软件编写相应的程序。单主机程序通过计数的方法，累计1秒钟内读取数据的次数，从而确定其测控速度方面的性能。在程序开始时上位机与PLC主机开始打开串口，程序通过定时器，每隔50ms触发接收一次端口的数据包，若超时50ms，则程序会重新进行读取，读取的数据放在一个定义好的数组里，程序每成功运行一次测控次数+1，当经过一秒钟之后，把得到的测控次数与一秒钟前的次数相减，得到1秒钟内测控的次数，也就是测控次数每经过一秒就会更新一次，同时把数据存入到一个文本文件中。图10是程序运行的流程图：

这是编写的程序部分代码：

通过运行程序，我们可以得到单主机测控程序的运行结果，如图11所示：

从程序运行的结果来看，单主机的测控速度为16次/秒，显然是无法满足机务模拟器的测控速度要求的，因此我们设想采用双主机分时测控，通过多点测量补偿法来提高测控速度，理论上该方法是可行且能够提高测控系统的测控速度的。

3.2双主机测控系统设计与实现

由于单主机的测控速度无法满足要求，我们自己提出多点测量补偿法，采用双主机分时测控。在单主机测控系统程序的基础上进行修改，通过单主机测控速度测试结果，我们可以得到单主机的测控周期为T＝62.5mS，因此我们通过定时器，分时驱动双主机(以下简称A、B主机)进行测控，A主机先进行测控，当A主机测控开始T/2后，让B主机开始测控，这样，两个数据点的时间间隔由原来的T，缩短为现在的T/2，能够实现测控速度的提升目标(如图12示)。

双主机程序的工作流程与单主机程序类似，在程序中定义一个全局变量且初始为0，作为测控次数的计算，在程序开始运行时先同时打开两个串口，在读取数据前获得一个初始时间，然后A主机开始读取数据，读取过程中会判断读取是否超时，如果不超时，说明数据读取成功，数据保存至txt文件中，同时测控次数+1，间隔T/2毫秒后，B主机开始读取数据，工作过程与A主机类似，1秒钟后将测控次数与1秒钟前的次数相减，能够得出1秒钟内双主机测控系统的测控次数。以一个测控周期为例，程序的工作流程如图13所示。

下面截取了双主机测控系统核心的程序代码：

运行双主机的程序，图14是运行的结果：

我们得到了双主机的测控速度能够达到32次/秒，从增加的次数来看，双主机的测控速度能够得到显著的提升，为进一步验证双主机测控系统的有效性，我们需要对单、双主机的数据进行分析。

3.3单双主机数据差异分析及结论

通过运行双主机程序，我们得到了双主机测控次数增加的结论，但是双主机的测控数据是否有意义，需要我们先进行进一步分析，为证明双主机数据的有效性，我们在双主机测控数据分别把A主机与B主机的数据单独进行比较，如图15、图16所示，从图中可以看出A、B的相邻两个数据点(例如2389156的数据与2389187的数据)数据值不同，说明两台主机测到的不是同一个数据点，所以可以说明双主机的测控数据是有效的。

我们在B主机关机状态下，让A主机单独进行测控，与双主机测控的数据进行比较，并以电位计1的数据变化为例来进行分析，数据图如图17、图18所示：

从图19中，我们可以直观的看到电位计的变化过程，第一段是比较慢地推电位计，测到的数据点比较多，所以数据点可以连成一条比较连贯的曲线，第二段是非常快速地推电位计(小于1秒钟)，所以数据点比较少，无法形成连贯的曲线，但是在实际使用模拟器的过程中，很少会以这种方式来推动油门杆的，所以这种结果是可以忽略的，第三段是比较正常地推电位计，数据点连贯程度不高。图中在200左右的位置出现数值跳跃的情况，这是由于我们做的油门推杆有一个小推力卡槽，这个位置比较紧，当推动油门从小推力不断增大时，用力稍大经过卡槽就会产生小幅度的突变。从图中还能看到，在上升过程中会突然出现极少数的数据点是非常小的，与前后数据的点相差很大，这是由于电位计本身不是很稳定的原因导致的，电位计在油门杆突然抖动的情况下也有可能出现不稳定的情况，因此，在机务模拟器的实际应用过程中可以采用编码器来模拟油门杆等模拟量的变化情况。

从图中我们也可以看到单主机的数据点明显比双主机少，而且单主机测到电位计最低位的数值明显比双主机的高，所以可以说明，双主机的测控精度在一定程度上比单主机的高。

通过对单主机与双主机的数据差异进行分析，我们可以得出结论：采用多点测量补偿法，通过双主机分时测控，在一定程度上能够提高测控系统的测控速度与精度，能够满足机务模拟器测控系统测控速度的要求。

双主机相互影响分析

我们采用双主机进行分时测控，两台主机同时与电位计相连接，那么两台主机同时通电后，电压的分配可能会存在一定的影响，所以，我们需要对其进行分析，把A主机单机通电的测控数据与双主机通电时A主机的测控数据进行比较。我们在单主机通电测控情况下对电位计的数据进行标定，在此基础上，单主机与双主机分别在八个不同位置点停留大约10秒，进行测控。我们把数据绘制成了散点图，如图1所示。

从图中我们可以看出，由于电位计本身的不稳定，导致了奇点的产生，与正常的数据相差比较大，但是这不影响我们的结论，奇点的数量很少，我们可以忽略不计。同时，曲线在上升段重合度不是很高，这是因为两次推杆的状态不能保持完全一致，所以会有一定的误差，但是我们主要看几个位置点的数据，而在位置点的重合度是比较高的，所以，曲线上升段的误差是可以忽略的。因此，通过分析可以认为双主机间相互影响较小，完全在系统误差之内。

3.4多线程优化数据分析及结论

上述的双主机(以下称A、B主机)测控系统主要是从硬件方面提高测控系统的测控速度，在单线程内进行工作。我们考虑到实际的机务模拟器测控系统的测控量非常多，所以把定时器的周期设定在50ms，与实际应用中的测控系统周期基本保持一致。为更大程度地测试双主机分时处理对提高测控系统速度的能力，我们设想在软件方面进行优化，采用多线程技术对测控系统进行优化，双主机通过两个不同的定时器同时进行测控。

本优化思想只针对四个电位计的测控，测控量较小，主要是分析双主机在单线程与多线程两种不同技术下的测控速度差异，所以定时器的周期可以先不考虑设定为50ms。我们的优化思路是先通过缩短单主机测控系统的定时器周期，测试单主机的测控极限次数，获得单主机的极限测控周期T，然后采用两个定时器分别进行测控，A主机的定时器先启动，间隔T/2后再启动B主机的定时器，其他工作过程与单线程程序类似。通过缩短定时器周期，得到程序运行的结果如图20所示。从图中我们可以看到，当定时器的周期设定在15ms时，得到极限次数为64次。

从程序运行结果中，我们可以得到单主机的极限周期T为15ms，所以我们在单线程程序中相应地把两个主机测控时间差调整为7.5ms，多线程中两个定时器启动时间差也调整为7.5ms。分别运行两个程序，得到采用单线程的程序运行结果如图21，采用多线程的程序运行结果如图22。

通过运行的结果来看，单线程的测控次数为84次，多线程的测控次数为119次，说明多线程技术确实能够进一步提高测控系统的测控速度。

将测控数据通过散点图进行直观的展示，单线程如图23所示，多线程如图24所示。

通过两张图，我们可以明显地看到多线程的数据数据点比单线程的密集，曲线更趋于连贯。下面我们选取图中红框曲线的部分测控数据，进一步分析系统的测控精度，单线程的数据图如图25，多线程的数据如图26所示。

从两组数据来看，时间显示上存在相同的情况，这是因为A、B主机两个数据点时间间隔只有7.5ms，所以时间显示是相同的，但是单个主机的两个数据点间隔为15ms左右，所以几乎每隔15ms就会出现两个数据点时间相同的情况，而这种情况在多线程中比较均匀，单线程间隔大约47ms才会出现，在这种情况下数据本身存在均匀变化且呈增大的趋势，说明测控精度能够得到有效的提升，同时也能够说明多线程的精度比单线程的精度高。

通过程序运行结果与数据分析，我们可以得出结论：双主机采用多线程技术能够显著提高测控系统的速度与精度。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (8)

1.一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，该测控系统从上到下由主控计算机、测控计算机、PLC主机、模拟量输入输出模块组成，工作任务是对开关量、模拟量、脉冲量进行测控；

其中主控计算机负责将测控计算机上传的数据进行可视化显示，同时协调各测控计算机的正常工作运行；

其中测控计算机测控计算机负责将从PLC主机读取的各种开关量、模拟量的状态数据进行解析，上传给主控计算机；接收并解析主控计算机的测控命令，随后将命令下达给PLC主机；

其中PLC主机负责对各种开关量、模拟量进行实时测控，并将测控数据打包发送给测控计算机；接收测控计算机的测控命令，对相应的开关量、模拟量、脉冲量进行控制，具体地：

PLC主机自身有开关量输入输出端口，开关量输出端接0-3号告警灯，模拟3个不同的告警提示，在输入端接入3个开关，模拟3个不同的开关状态，在PLC主机右端的扩展接口通过排线连接模拟量输入输出模块，模拟量输入输出模块的输入端口分别接入4个电位计，模拟油门杆的变化情况，在输出端连接1个电压表和1个步进电机驱动器，步进电机驱动器连接步进电机，根据输出的模拟量信号来驱动步进电机；

针对模拟量的测控速度问题，采用A、B双主机分时处理方案，在A主机测控的两个周期间隔中间，用B主机进行测控作为补测数据，最后通过程序编程，把A、B主机的数据按照测控顺序进行显示处理，通过显示器直观地展示模拟量的变化曲线，具体地：

2个PLC主机、2个模拟量输入输出模块、4个电位计，两个PLC主机采用220V交流电供压，两个扩展模块通过排线分别与各自PLC主机相连，并通过各自主机的24V直流输出电源供压，两个扩展模块的输入端口分别按照并联的方式接入相应的电位计，两台PLC主机通过各自的通讯接口与测控计算机进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，针对开关量的测控，测控系统对开关量的测量是指测量开关、按钮的状态变化，对开关量的控制是指对告警灯、提示灯进行控制，具体来说：

S100、PLC程序采用循环扫描的方式进行I/O端口的扫描，将采集到的数据存储在PLC内部的数据寄存器内；

S101、当测控计算机与PLC主机建立通信，就可以读取寄存器内的数据来判断开关、按钮状态；

S102、当测控计算机发出控制指令后，通过PLC自身的I/O输出模块，将电信号放大来控制告警灯的亮或者灭。

3.根据权利要求1所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，针对模拟量的测控，测控系统对模拟量的测量是指测量油门杆、推杆、旋钮的位置变化，此时需要比较高的测控速度要求，才能保证测控系统可以实时测量模拟量的变化，对模拟量的控制是指对仪表指针进行驱动，具体来说：

S200、油门杆、旋钮位置变化点有无数个，通过转动或者位移传感器将位移量转化为电压模拟量；

S201、PLC的模拟量输入输出模块可以进行A/D和D/A转换，将电压模拟量转化成数字量存储在PLC的寄存器中；

S202、PLC主机通过打包数据传给测控计算机，测控计算机进行数据处理，并上传给主控计算机；

S203、测控计算机对仪表的控制，在PLC扩展模块中将数字信号转换成电压模拟量信号，驱动电压表工作。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，针对脉冲量的测控，脉冲量在工业生产中可以用于计数及其他功能，具体来说：

S300、测控系统是指对步进电机进行驱动，测控计算机向PLC主机发送控制指令，

S301、PLC主机收到指令后将数字信号转换成脉冲信号，

S302、再经过步进电机驱动器，把脉冲信号进一步放大，

S303、最后就可以根据脉冲信号及持续时间驱动步进电机的工作。

5.根据权利要求1或 2 所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，所述测控计算机通过RS-232通讯接口与PLC主机进行通讯，针对编程用到的基于串口的FATEK协议说明如下：

首先，在与FATEK PLC端建立连接时需要打开串口，才可以与PLC主机进行通信，下面为函数原型：

HANDLE OpenComm(int port,long Baud,int Parity,int dlen);

其中port为PC机的串口号；Baud为波特率，所采用的波特率为115200；Parity为校验，0—无校验，1—奇校验，2—偶校验，永宏PLC采用奇校验；dlen为字符长度，默认为8.

当系统不再进行数据传输，程序退出时，需要关闭串口，函数原型为：

void CloseComm(HANDLE hComm);

其中，hComm表示OpenComm（）打开的串口句柄；

最主要的工作就是寄存器数据的读写，其中读取的函数原型为：

int ReadFATEKReg(HANDLE ComHandle,int slave,char far* reg, long *data)；

int WriteFATEKReg(HANDLE ComHandle,int slave, char far* reg,long data);

其中ComHandle为串口句柄，slave为PLC的访问地址，Reg为寄存器名称，data为返回的4字节类型的数据；

在读写过程中，需要向串口发送校验码即查询命令，数据能够立即返回给测控计算机，函数原型为：

int WriteComm(HANDLE hCom, unsigned char *s, int len);

其中s是待发送的字符数组，len是待发送的字符个数，当函数返回0表示发送失败，X表示实际发送给串口的字符个数。

6.根据权利要求1所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，所述PLC主机为永宏FATEK-FBs系列的PLC模块，右侧I/O端口可扩接扩展模块，主机型号为FBs-32MCR2-AC，采用220V交流供电，具有24V直流输出，可直接为扩展模块供电，扩展模块是FBs-4A2D的模拟量输入输出模块，它分别有四个输入端子和输出端子。

7.根据权利要求3所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，利用梯形图编程软件将输入的模拟量进行归一化处理，通过PLC内部主机对模拟量进行了归一化处理，先对电位计的最大和最小位置的值进行测量，然后使用固定的最大最小值进行归一化处理。

8.根据权利要求1所述的一种基于多点测量补偿法的模拟器测控系统，其特征在于，针对双主机程序的工作流程，在程序中定义一个全局变量且初始为0，作为测控次数的计算，在程序开始运行时先同时打开两个串口，在读取数据前获得一个初始时间，然后A主机开始读取数据，读取过程中会判断读取是否超时，如果不超时，说明数据读取成功，数据保存至txt文件中，同时测控次数+1，间隔T/2毫秒后，B主机开始读取数据，工作过程与A主机类似，1秒钟后将测控次数与1秒钟前的次数相减，能够得出1秒钟内双主机测控系统的测控次数。

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