摘 要：簡述了計算機實時控制及分布式控制系統（DCS）的一般特點，并以某型水下機器人的控制系統為例，詳細介紹了一種小型實時DCS系統的具體實現。

關 鍵 詞：實時控制; 分布式控制系統; 雙端口存儲器; 串行通訊

1 引言 　　

自七十年代以來，以微機為核心的分布式控制系統將現代科技的最新成就：計算機（Computer），通訊（Communication），和自動化控制（Control）技術（簡稱3C技術）集為一體形成集散控制系統，它采用危險分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設計思想、多層分級的結構形式，使其可以勝任各種復雜實時控制的要求。

　　實時控制是計算機應用的一個重要而極富潛力的方面，它主要包含實時性和多任務性兩大特點。實時性是指在控制系統中，控制行為必須在指定的時間內開始和完成，信號要求按時序發送;多任務性是指系統中有多個獨立和/或半獨立的任務，同時分別執行對不同信號的處理和對不同設備、不同過程的控制。某型水下機器人的控制系統屬于典型的實時控制問題，要求在一個節拍（0.5秒）內系統完成對各路傳感裝置的信息獲取、控制計算、推力分配、分發控制指令，為此自行設計了一個小型集散控制系統，其系統構成如圖1所示。

2 系統的工作流程 　　

如圖1所示，處在水下的三個單片機主要負責數據采集，經處理后再通過串口將數據傳送給上位機（動力定位控制主機）;由兩臺聲納解算機單獨完成對多普勒測速聲納、定位測高聲納反饋的水聲信號的處理，然后再將所需機器人的速度信息和位置姿態信息通過RS-485串口發送給上位機。上位機根據這些反饋信息作控制計算，然后將控制指令發送給單片機，由單片機控制各執行機構。

圖1 某型水下機器人控制系統結構簡圖

3 系統功能實現 　　

3.1 硬件設計 　　

根據分散控制、集中管理的設計思想并結合該課題的實際情況，設計了以動力定位控制主機為管理級計算機、以兩臺聲納解算機和主單片機為監控級計算機、兩片從單片機為直接控制機的三級控制系統，其中主、從單片機均選用80c196kc。 　　

在傳感裝置的選用上，盡量選用抗干擾性強的智能傳感儀器，同時考慮到預研項目的經費情況，也用了一些常規的傳感器。另外，由于機器人外部有很多傳感器，而艙室空間又十分有限，因而本文參考現場總線控制系統信息處理現場化的思想在機器人外部放置了一個單片機，完成這些傳感器數據的處理后再上傳給主單片機。試驗表明，這種方案不僅可以緩解主單片機的工作壓力，實現分布系統的設計思想，還可以減少信號傳輸線上的共模干擾。 　　

控制系統的執行機構主要是五臺推進電機、舵、及縱橫傾調節裝置。其中縱橫傾調節裝置為24V力矩電機帶動滑塊移動從而調節水下機器人的縱橫傾，經高性能光電隔離芯片后與從單片機1并行口連接。在水下機器人的運動過程中，隨時可能要改變推進電機的轉速以得到不同的推進力，而變頻調速是實現電機調速的最理想方式。本系統采用臺達VFD-A/H型變頻器，它不僅可以實現各種轉速曲線，而且還具有過壓、過流、過熱等完善的保護措施。該變頻器與控制系統的接口為RS485串行口，一塊CPU最多可接32個變頻器。 　　

3.2 系統通訊 　　

從圖1中可以看出，該控制系統是一個典型的多機系統，多機系統的關鍵技術和難題之一是信息共享，這一難題解決的好壞直接關系到控制系統能否順利實現對水下機器人的運動控制。根據控制系統的實際情況和上位機對執行機構隨動的要求，本文采用了并行通訊與串行通訊相結合的通訊方式，以下將簡要介紹這幾種通訊方式。

　　3.2.1 單片機1與五臺變頻器之間的通訊 　　

采用標準串行口RS485半雙工通訊方式，原理如圖2所示。其中，從單片機1作為主機，波特率為9600bps,奇校驗，模式3方式,字符8位、起始位1位、停止位1位、1位地址/數據位，共11位。由于是點對多點的通訊，因而采用地址位喚醒方式，五臺變頻調速器的地址分別是$00～$04。

圖2 從單片機1與變頻調速器間的通訊電路

圖3 主、從單片機間的通訊電路[/align] 　　

由于RS-485為半雙工通訊方式，同一時刻只允許CPU工作在發送（或接收）一種工作方式下，因而在從單片機1中設有發送/接收切換程序。在初始化時，將P2.6和P2.7清零使從單片機1串口只接收數據，以中斷方式接收變頻器數據;在發送程序中，首先將P2.6和P2.7置位使從單片機1串口工作在發送方式，發送完畢后再將P2.6和P2.7清零，這樣就實現了從單片機1與變頻器之間的半雙工通訊。 　　

3.2.2 主單片機與從單片機1之間的并行通訊 　　

在圖1所示的控制系統中, 主單片機與從單片機1之間的通訊不僅通信量大而且為實現隨動控制系統，要求執行機構對控制器控制指令的滯后越小越好，因而宜采用并行通訊。在現今很多種并行通訊方式中，雙端口存儲器能以最小的軟、硬件代價實現高速、可靠的并行通訊，因而本文采用雙口RAM IDT7132作為主、從單片機的共享RAM來實現并行通訊，如圖3所示（注意圖中READYL與READYR的位置）[3]。由于雙端口RAM的特殊結構使得雙機可以方便快速地進行數據交換，從而大大減少了通訊所引起的滯后，為實現隨動控制提供了可能。如果要構成2K×16位雙口RAM，再加一片IDT7142即可。 　　

3.2.3 主單片機與動力定位控制主機之間的串行通訊 　　

通訊電路圖與圖2相仿，只不過為提高通訊速率將RS485二線制通訊方式改成了RS422四線制通訊方式，收發器由MAX485換成了MAX490。 　　

在主單片機一側，由于要發送的信息很多（共有107個字符）因而在程序中將待發送的數據分成兩組，每一組分別設有協議頭和校驗和，根據上位機通訊控制字符（分別是55H和66H）的不同來確定發送哪一組數據。在上位機一側，由于上位機要動態顯示水下機器人的運動姿態，接收各種設備的返回信息，如采用中斷信息接收方式，在同一時間每個下位機都向上位機發送信息時，會發生沖突導致信息丟失。為此，各下位機向上位機的信息傳輸要按照上位機的命令，整個系統按照統一節拍工作。當上位機空閑時就按順序發送一個使能命令給第i個下位機，第i個下位機接到命令后立即將要上傳的信息發出，如果上位機沒有接到，則重新發送該使能命令。同時為了提高通訊的可靠性，在通訊的每一側將待發送字符拆為3xH的形式，再對所發送的這組數據進行加和運算以求出校驗碼。通訊的另一側接收完一組數據后進行求和校驗，如校驗和不正確，則該組數據作廢，等待下一組數據。

4 結束語 　　

本文設計了由上位PC機、下位PC機及單片機所組成的一種實時分布式控制系統，采用智能傳感儀器和常規傳感器相結合的信息獲取方式及變頻器的變頻調速控制，實現了水下機器人的運動控制。整個控制系統中動力定位控制主機用于通訊的時間最長，約為0.2秒，但仍遠小于系統所要求的工作節拍（0.5秒），從而實現了對機器人位置姿態信息的實時獲取。該型水下機器人已經完成了航向控制和定深控制實驗，試驗結果表明，該分布式系統已經實現了實時控制，為我國水下機器人的進一步研究創造了條件。

參考文獻 　　

[1] 白焰等.分散控制系統與現場總線控制系統：基礎、評選、設計和應用[M].中國電力出版社，2001 　　

[2] 張云生.實時控制系統軟件設計原理及應用[M].國防工業出版社，1998 　　

[3] 竇振中.單片機外圍器件實用手冊——存儲器分冊[M].北京航空航天大學出版社，1998