虚拟IO控制模块的研制

2013-07-05周晓燕叶小刚宫涛

声学与电子工程 2013年2期

关键词：调用测控宿主

周晓燕叶小刚宫涛

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.杭州瑞利测控技术有限公司，杭州，310012）

虚拟IO控制模块的研制

周晓燕1叶小刚2宫涛2

（1.第七一五研究所，杭州，310012；2.杭州瑞利测控技术有限公司，杭州，310012）

提出了模块化的虚拟IO控制模块，较好的解决了目标的非标化、多样化的问题。从硬件、软件两方面分别描述了虚拟IO控制模块的实现。

虚拟IO；模块化；测控

随着软件技术在工业自动化中扮演越来越重要的作用，硬件层面上的通用化愈来愈成为系统设计过程中的必然要求。在一套以在线检测为主的设备中，与检测目标系统进行IO数据交换必不可少。传统的检测设备是遵循工业标准提供有限并且固定的IO口与目标系统交互。但随着目标系统的非标化、多样化的不断出现，很多工程应用已无标准可循，而新标准产生的速度也越来越跟不上技术和应用的发展，虚拟IO模块的出现能够较好的解决这类问题。

1 虚拟IO模块的定义

在测控设备的开发过程中，经常需要设计各种IO接口板以适应从其他设备获取运行状态位或者控制其他设备的启停，并且也常用IO口来输出本机的各种状态指示位。一般的解决方式是设计专门的IO显控模块或者利用PLC外设，但前者的开发周期长而后者的费用较高，且破坏系统的完整性。虚拟IO模块以模块化设计为起点，建立起以通用型IO硬件为各类设备同种功能部件的基础，通过系统级软件的配置来实现以同种IO硬件达到不同的需求。图1表征了虚拟IO模块在测控系统中的典型作用。

图1 系统中的虚拟IO模块

2 虚拟IO模块设计

根据虚拟IO模块的定义，虚拟IO模块的组成如图2所示。主要由虚拟IO硬件层和虚拟IO软件层组成，工作原理如下：虚拟IO硬件层以MCU为核心，MCU负责与宿主设备（IO模块构成该设备的一部分）通讯，与其他目标设备通讯并根据宿主设备软件层的配置和命令控制外设IO接口板；虚拟IO软件层以应用软件调用XML配置文件来定义虚拟IO硬件层的实际各IO口输入输出配置，并根据应用软件运行时的通讯命令从虚拟IO硬件层取得IO状态或驱动IO输出。虚拟IO软件层通过DLL（微软动态链接库）或VISA（Labview底层驱动模式）驱动形式与虚拟IO硬件层交换数据，从而根据各种应用的需要由上层软件来定义IO的配置模式，这是“虚拟”二字的内涵[1]。

图2 虚拟IO模块的组成

同一测控设备在针对不同种应用时有不同种IO的输入输出，此时无需对硬件进行修改，只要根据不同应用设置IO的不同XML配置参数，通过调用XML配置文件即可实现目标要求的操作，因此实现了同一IO硬件层的不同种需求的IO定义。下面从硬件和软件两方面来描述虚拟IO模块的实现途径。

2.1 硬件设计

虚拟IO模块允许用户自定义IO端口，因此该模块需具备两个特征：第一、存在与宿主设备的通讯接口；第二、可以方便的对IO端口进行定义。图3是一种典型的虚拟IO模块的硬件结构：选择合适的MCU并设计其最小系统作为模块的基础，为适应与宿主设备的通讯，以通讯距离和通讯数据量为主要衡量指标，一般采用标准串口（隔离型的RS232）作为IO模块和宿主设备的通讯方式；以MCU的IO管脚为基础，扩展出多路以三极管、晶体管、晶闸继电器等外设控制接口。通常的应用中，宿主设备还需要进行远距离通讯，常用的为RS485。为防止IO模块和宿主设备、其他外设设备存在较多相互干扰，一般选取隔离型的通讯元件。

图3 虚拟IO模块典型硬件结构

2.2 软件设计

虚拟IO模块的软件包括两个部分：MCU核心板的硬件层的软件和宿主设备上的应用程序对虚拟IO模块的调用部分程序。

2.2.1 虚拟IO硬件层的软件设计

图4给出了一种典型的IO模块硬件MCU程序流程图。在模块上电后，程序需要先对模块进行初始化，如进行看门狗启用、定时器参数、通讯参数设置等方面的工作。设置完毕后，MCU进行自检，完成自检项目即进入与宿主设备的通讯，通讯的协议可自由定义。IO模块的硬件工作在无限循环之内，根据中断时间设置与宿主设备进行通讯，通讯的超时设置和看门狗抗干扰超时设置是必要的。该无限循环的过程可以不断的重新定义IO的输入输出配置，并完成IO端口状态信息的交换。

图4 虚拟IO模块硬件MCU程序典型流程图

2.2.2 虚拟IO软件层的软件设计

虚拟IO模块的通用化离不开宿主设备端应用软件层的专门化，与虚拟IO模块调用相关的应用软件层的典型流程图如图5所示。从图4中可以看到，虚拟IO模块的硬件部分程序是一个无限循环，即其对宿主设备的通讯是可以实时发生的，因此，在虚拟IO模块的宿主设备端的软件层可以按需调用IO模块的资源，这就决定了同一IO模块可以被宿主设备的不同应用程序分时调用，不同的应用程序在对IO模块调用时，只需要调用相应的XML文件即可根据专有设置进行自定义通讯的IO操控。

图5 虚拟IO模块软件层的典型调用流程图

3 实现方案

根据图3中虚拟IO模块的硬件典型结构，从MCU在线调试的便利性、自带看门狗的抗干扰性以及IO的丰富性等出发，结合工业产品的需要，选择Freescale的MC9S08AC8作为虚拟IO模块的MCU核心。该MCU具有内置时钟，具备2个异步SCI，同时多达33个可配置成读写的IO口，因此适合用来作为虚拟IO模块的硬件核心。从通讯角度看，虚拟IO模块需要同宿主设备进行RS232通讯，和目标测控设备进行远程的RS485数据通讯，而这些基本通讯需要特别注意引起相互之间的电源和信号干扰，因此采用隔离型的通讯芯片不失为合适的选择。AD公司推出的ADM2587E和ADM3251E采用其公司特有的芯片级变压器iCouple磁隔离技术，能够同时用于隔离逻辑信号和集成式DC-DC转换器，因此该类器件可提供整体隔离解决方案；选择这两款芯片分别实现虚拟IO模块的RS232和RS485功能，可以有效的实现与外部模块的信号和电气隔离。

利用MC9S08AC8[2]、ADM2587E[3]、ADM3251E[4]构成基本的虚拟IO模块，除去MC9S08AC8的33个IO管脚中因为管脚复用的关系被通讯接口占用外，该虚拟IO模块在硬件结构上保留了28个独立的IO口，这对于大部分的工业应用而言，其IO资源都是及其丰富的。

4 实践应用

在基于机器视觉的经编疵点检测仪[5]和基于机器视觉的整经断纱检测仪以及激光断纱检测仪的开发中，采用前文所述虚拟IO模块作为上述三类测控仪器对经编机、整经机、喷水织机等的状态拾取、报警、启停等控制的接口板，宿主设备只要方便的调用相应的XML文件即可实现不同的控制。目前，该类虚拟IO模块已经在几百台目标机的控制中得到了成功的应用。