基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò )化控制仿真實(shí)現

摘要：實(shí)現了基于Simulink/Real-Time Workshop（RTW）的嵌入式網(wǎng)絡(luò )化控制仿真系統，構建了以ARM7TDMI型CPU為核，運行uClinux操作系統的嵌入式平臺。建立了廣域網(wǎng)范圍的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，通過(guò)延時(shí)測量實(shí)驗獲得了網(wǎng)絡(luò )延時(shí)統計特性，并針對該網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的分布式控制系統的前向通道和反饋通道分別提出了延時(shí)補償方法。同時(shí)系統還為用戶(hù)提供了離線(xiàn)仿真，和通過(guò)網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)指導現場(chǎng)控制的網(wǎng)絡(luò )遠程監控功能。最后以直流電機為被控對象，在廣域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò )化控制系統實(shí)驗，驗證了該系統的有效性。

引言

網(wǎng)絡(luò )化控制系統NCS（Networked Control Systems）是指控制系統的各智能設備即傳感器，控制器和執行器分布在不同地域空間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )形成閉合回路，各節點(diǎn)之間的數據和信息的交換需要網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。它是將當今先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，計算機技術(shù)和控制技術(shù)融為一體的分布式控制系統。雖然網(wǎng)絡(luò )化控制在工業(yè)控制，過(guò)程控制和樓宇自動(dòng)化等方面得到了廣泛的應用，但網(wǎng)絡(luò )控制系統的理論研究卻相當不成熟[1]。本文利用在工程領(lǐng)域廣泛使用的Simulink仿真軟件，結合軍事和民用領(lǐng)域應用成熟的嵌入式微處理器構架開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò )化控制仿真系統，為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化控制系統的理論研究提供了有利工具。

由于目前工業(yè)控制領(lǐng)域使用的通信技術(shù)都是自成體系、互不開(kāi)放的。國際上新頒布的IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)標準包括了8種不同的類(lèi)型，要使它們之間互相兼容和互可操作幾乎是不可能的。因此，積極采用以太網(wǎng)技術(shù)已成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢。目前基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )化控制系統得到了全世界自動(dòng)化領(lǐng)域學(xué)者們的關(guān)注。鑒于此，本文所開(kāi)發(fā)的仿真系統是專(zhuān)為基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )化控制而設計的。

由于網(wǎng)絡(luò )化控制系統是控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)相結合的產(chǎn)物，因而對它的分析設計也通常從控制和網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)角度進(jìn)行。從網(wǎng)絡(luò )角度考慮，一般是對通信協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，解決延時(shí)，丟包，亂序等網(wǎng)絡(luò )帶給控制系統的問(wèn)題，減小對控制系統的影響；從控制角度出發(fā)，則是在已有的網(wǎng)絡(luò )結構和協(xié)議下，設計控制系統的結構，開(kāi)發(fā)控制算法，補償網(wǎng)絡(luò )延時(shí)，以保證系統的穩定。本仿真系統是從控制的角度設計的。

本文建立了以32位嵌入式RISC（Reduced Instruction Set Computer）微處理器結構ARM7TDMI S3C4510B為CPU核，基于Simulink/RTW開(kāi)發(fā)的嵌入式網(wǎng)絡(luò )化控制仿真系統的軟硬件結構平臺。結合對無(wú)刷直流電機的控制試驗實(shí)例，闡述了本仿真系統的具體應用。

網(wǎng)絡(luò )化控制仿真系統

嵌入式系統平臺構架

本系統以嵌入式系統為硬件平臺，其硬件構架如圖1。該嵌入式系統硬件平臺選用Samsung 公司的基于A(yíng)RM7TDMI核芯的S3C4510B微處理器作為嵌入式系統的CPU。S3C4510B 32位嵌入式RISC微控制器是為基于以太網(wǎng)的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )控制系統提供的低成本高性能的微控制器。它支持8位、16位和32位尋址方式，具有16M×32位的尋址能力，可方便的構建較大的存儲空間。為了降低整個(gè)系統的成本，S3C4510B將外圍設備和處理器內核集成在一塊芯片上，提供片上外圍設備主要有2通道UART，2通道HDLC，1通道MII接口，Ethernet控制器，中斷控制器，JTAG接口，PLL 時(shí)鐘發(fā)生器和2個(gè)定時(shí)器等。

系統選用HY29LV160作為FLASH存儲器，每片提供1M×16位的存儲空間，兩片并聯(lián)構成1M×32位的代碼存儲空間；選用HY57V641620作為SDRAM存儲器，每片提供4M×16位的存儲空間，兩片并聯(lián)構成4M×32位的代碼運行空間，相對較大的RAM空間有利于提高系統性能和執行較復雜的控制算法。有源晶振為S3C4510B提供外部時(shí)鐘信號，通過(guò)內部的鎖相環(huán)（PLL）電路，作為系統的工作頻率，PLL兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統可以較低的外部時(shí)鐘信號獲得較高的工作頻率，最高可達50MHz。

此外，目標系統還擴展了8路16位高速A/D和2路12位高速D/A，為被控對象提供控制接口。用100M/10M高速以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DM9161擴展以太網(wǎng)控制器。4×4的鍵盤(pán)和數碼管顯示為系統提供了現場(chǎng)調試手段。

ARM7TDMI構架的CPU不帶MMU即內存管理單元，可選用uClinux作為相應的操作系統，這是一個(gè)完全符合GNU/GPL（通用公共許可證）公約的項目和完全開(kāi)放代碼，是標準Linux的一個(gè)分支，專(zhuān)用于沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作，具有內嵌網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，支持多種文件系統，編譯后內核目標文件在600KB左右。

仿真系統軟件結構

本仿真系統為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò )和內核兩類(lèi)接口模塊。網(wǎng)絡(luò )模塊由Simulink 提供的專(zhuān)為用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)代碼的系統函數（S-Function）實(shí)現，代碼采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，主要有UDP/IP，TCP/IP 兩種通信協(xié)議模塊，同步機制模塊，延時(shí)測量模塊，控制算法模塊和延時(shí)補償模塊。

內核模塊包括讀模塊，寫(xiě)模塊，訪(fǎng)問(wèn)系統硬件平臺片上外圍和擴展硬件資源的I/O 模塊，如A/D 模塊，D/A 模塊，外部中斷源模塊，定時(shí)器模塊等。內核模塊除用系統函數完成用戶(hù)空間編程外，還需在uClinux 中進(jìn)行內核空間編程。

此外，仿真系統還提供了網(wǎng)絡(luò )監控功能，使不在控制現場(chǎng)的用戶(hù)及時(shí)掌握控制系統的運行狀況。該功能主要由客戶(hù)端和服務(wù)器兩部分完成，即構成Client/Server 模式?？蛻?hù)端提供與用戶(hù)的交互，由VC++編寫(xiě)實(shí)現，運行在Windows 操作系統的PC 主機，主要實(shí)現2 個(gè)功能：控制和監視?？刂乒δ茼憫獊?lái)自用戶(hù)的動(dòng)作，如通過(guò)網(wǎng)絡(luò )修改遠程的控制器參數，查看過(guò)程變量實(shí)時(shí)數值；監視功能為用戶(hù)顯示變量實(shí)時(shí)趨勢圖。服務(wù)器端運行在嵌入式系統平臺，由ANSI C 編程實(shí)現，主要處理來(lái)自客戶(hù)端的各種命令請求，并作出相應的操作，使客戶(hù)端的用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現各種監控功能。使用TCP/IP 協(xié)議，客戶(hù)端采用WinSocket 服務(wù)器端采用Socket 實(shí)現通訊的監控流程如圖2 所示。

系統實(shí)現

本系統采用Simulink/Real-time Workshop實(shí)現仿真系統中運行在嵌入式平臺的代碼部分。

Simulink是Mathworks公司推出的，用于控制算法設計和系統動(dòng)態(tài)建模的可視化仿真分析環(huán)境，其Real-TimeWorkshop（RTW）工具箱能根據所組建的Simulink框圖自動(dòng)生成優(yōu)化的Ｃ語(yǔ)言代碼，結合與目標硬件相關(guān)的接口模塊，實(shí)現對Simulink描述的控制系統的仿真，使用戶(hù)從編寫(xiě)代碼的繁冗勞動(dòng)中解脫，縮短程序開(kāi)發(fā)周期。

嵌入式硬件平臺的應用程序開(kāi)發(fā)與傳統開(kāi)發(fā)有所不同。受嵌入式系統有限資源的限制，應用程序的開(kāi)發(fā)一般采用主從模式，即程序的設計，編譯和鏈接在PC 機（通常運行有Linux）上進(jìn)行，最終生成的可執行代碼運行在嵌入式系統中，這個(gè)過(guò)程為交叉編譯過(guò)程。

利用RTW 實(shí)現將Simulink 的框圖生成在仿真系統的嵌入式平臺上運行程序的主要步驟為：

1） 編寫(xiě)通用的與Simulink 框圖接口的網(wǎng)絡(luò )程序；

（2） 在裝有Matlab 的PC 機上安裝交叉編譯工具鏈arm-elf-gcc，包括編譯器，鏈接器，二進(jìn)制工具等；

（3） 在Simulink 中構建被控系統的仿真框圖；

（4） 根據目標硬件的不同，修改RTW 中集成的makefile模板文件，并將在（1）中編寫(xiě)的代碼，加入到編譯鏈接的源碼列表，修改系統目標文件；

（5） 打開(kāi)相應RTW 對話(huà)框，選中要使用的系統目標文件后，代碼的生成，編譯，下載及在嵌入式系統上運行等一系列過(guò)程將在幾分鐘內自動(dòng)完成。

圖3 描述了仿真系統軟件整體結構及Simulink/RTW 實(shí)現嵌入式應用程序的過(guò)程。

由于Matlab 軟件通常安裝在Windows 操作系統，為保證交叉編譯的順利進(jìn)行，安裝軟件Cygwin，以提供在Windows 下的虛擬Linux 環(huán)境。