一种飞行测试远程监控系统的设计

范蟠果，胡逸雪

（西北工业大学自动化学院，陕西 西安710129）

0 引言

飞机在试飞过程中，需要采集物理数据并监控测试设备。同时由于试飞存在一定风险性，测试系统要减少操作人员，提高自动化水平［1］。如测试飞机的操纵性和稳定性的重心调控系统；为测试机载雷达装机性能的雷达液冷系统。这些测试系统要控制泵的通断，阀门开启角度；同时要采集流量、压力、温度信号以及测试系统的电流值等作为远程监控计算机的数据源。而传统的通信方式速度慢，硬件连接模式单一，不利于分布式监控的需要。远程监控系统使用基于TCP／IP协议的以太网传输模式，以PAC作为下位机和客户端，通过以太网交换机与远程计算机实现TCP／IP协议的通信，实现分布式监控。

1 PAC与以太网交换机

PAC（可编程自动化控制器）同时具有PC处理器、内存和软件的优势和PLC坚固性和分布特性。系统选用泓格公司的WP-8837 PAC控制器，该型使用 WindowsCE 5．0操作系统，ISaGRAF作为开发软件，可以与HMI整合，支持TCP／IP协议，具备I／O模块热插拔能力与8个扩展插槽。

以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。选用MOXA公司的EDS308，有8个端口数量，支持IEEE 802．3，802．3u和802．3x的网络标准。

2 系统概述

分布式数据监控系统由工控设备PAC及其模块、现场监控HMI、以太网交换机和远程监控计算机组成，如图1所示。

图1 系统硬件结构

PAC的扩展模块作为系统控制信号输出和测量信号输入设备。其中，计数模块I-8084W的采样频率为250 k Hz，用来接收管道流量计的计数脉冲。数字输入／输出模块I-8042 W在输入端采集罐组的液位开关信号和泵工作开关信号；输出端控制继电器通断，再由继电器控制交、直流泵的开启与关断。同时在检测到系统电流过大时关断接触器，保护监控系统电路。模拟量输入模块I9017-H的输入信号有3种：压力传感器输出0～5 V电压信号；温度传感器输入4～20 m A电流信号；电流传感器输出0～5 V电压信号。12位模拟量输出模块I-87024CW输出4～20 m A的电流信号控制活门开启角度进而控制管路流量。

PAC的主CPU模块作为下位机，主要任务有：

a．收集还原I／O模块的数据。如将A／D转换后的数字量转换为质量、压力、角度或电流等具体物理值，同时记录获得该数据的时间。

b．执行具体的自动调节规律，同时预留手动控制功能，作为获得权限后测试人员通过HMI进行人工控制的途径。

c．与上位机和HMI进行通信。HMI通过485总线与PAC通信，HMI的界面由泓格自行开发的HMI设计工具elogger编写。除了更好兼容PAC硬件外，elogger也支持工控开发软件ISaGRAF，有利于降低编程难度。执行任务不同，HMI的界面也不同，执行液冷控制任务的HMI界面如图2所示。

图2 液冷控制H MI界面

PAC经以太网交换机与作为远程监控上位机的工控机进行TCP／IP通信。工控机主要汇总各PAC采集的物理数据信息并记录，在需要时调用并分析，如电流波动。同时工控机也负责HMI界面操作权限的管理，以及PAC调节动作的记录，保证试飞结束后有测试设备的详细资料查询。

3 TCP／IP通信

工控机与PAC之间采用TCP／IP协议进行通信。TCP／IP是一种面向连接的可靠的网络通信协议，通信的双方工作在服务器／客户端（C／S）模型下［2］。TCP／IP协议是通过“三次握手”实现的，相较于另一种应用较为广泛的网络协议UDP，TCP协议传输效率低但可靠性高，由于系统上位机不负责具体调节过程，故选用TCP／IP协议。

工控机作为服务器端，各PAC作为客户端，服务器为每个客户端开放一个大于1 000整数作为端口号（小于1 000的端口可能被操作系统占用），客户端寻找该端口与服务器完成连接。因为TCP／IP为全双工通信协议，在PAC向工控机传输数据同时，工控机也可以向PAC发送指令。发送和接收的数据按照表1格式进行封装。

表1 数据封装格式

收发信息时，发送与接收方都首先检验数据长度以保证通信数据的完整性。

数据类型使接收方识别数据的属性［3］。在系统PAC发送的数据包中，1A00H代表1号管路累计流量，0031H代表3号泵当前状态等。工控机的数据类型包括管理该PAC手动操作泵与阀门的权限，以及规定PAC传输的数据类型等。

数据内容的长度因数据类型而异。类型是泵的开关状态或权限时为1B，是记录时间时为2B等。

和校验在发现数据传输错误时可以要求发送方重发数据。

通信双方数据封装及解封过程如图3所示。

图3 通信流程

4 上位机软件设计

上位机程序以Lab Windows／CVI作为开发平台，该软件是NI公司推出的面向测控领域的开发软件，具有集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数［4］。

传统的Socket库开发TCP网络程序需要创建一个Socket并声明使用TCP协议，初始化地址、端口并绑定Socket，收发数据，关闭网络连接。CVI将其封装为几个函数，通过调用函数实现该过程［5］。TCP的数据接收与工控机处理流程如图4所示。

图4 上位机数据传输与处理流程

首先使用Get TCPHost Addr函数获知服务器IP，调 用 Register TCPServer（port Num，-Server TCPCB，0）函数注册为服务器端。port Num表示占用的端口；Server TCPCB为端口port Num对应的服务器函数名，它包含了客户端连接、断开和发送数据后的相应处理。Server TCPCB函数片段如下：

int CVICALLBACK Server TCPCB（unsigned handle，int event，int error，void＊callbackdata）

｛

……

switch（event）

｛

case TCP_CONNECT：

｛

hconversation＝handle；／＊获取句柄＊／

Get TCPPeer Addr （hconversation，addr Buf，31）；／＊获取对方IP＊／

Status1＝1；

Set TCPDisconnect Mode（hconversation，TCP_DISCONNECT_AUTO）；／＊自动断开连接＊／

……

break；

case TCP_DATAREADY：／＊读取数据＊／

do

｛

dataSize＝ Server TCPRead（hconversation，＆receiveBuf［mSize］，dataSize，1000）；

mSize＋＝dataSize；

byte ToRead＝buffer［0］；

｝

while（mSize＜byte ToRead）

……

break；

case TCP_DISCONNECT：

if（handle＝＝hconversation）；

hconversation＝0；

Status1＝0；

……

｝

break；

｝

return 0；

｝

TCP_CONNECT，TCP_DATAREADY 与TCP_DISCONNECT分别为为端口连接时、获取数据和断开连接时的操作，变量hconversation为服务器连接句柄，Server TCPRead为服务器读取客户端发送数据的函数。由于以太网读写并非一次完成，故每次读数据都将本次数据长度dataSize累加到mSize并与byteToRead作比较，直到数据接收完全。

需要注意的是当客户端连接成功时给参数Status1赋值1，此处上位机执行处理客户端1（即1号PAC）发送信息的线程程序，而当客户端断开连接Status1的值为0时，不执行该线程。数据处理线程片段如下：

int CVICALLBACK Client1（void＊function-Data）；

int main（int argc，char＊argv［］）

｛

int Thread1；

……

CmtSchedule ThreadPool Function （DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE，Client1，NULL，＆Thread1）；／／创造线程函数

…

Cmt Wait For Thread Pool FunctionCompletion（DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE，Thread1，0）；／／等待线程执行

Cmt Release ThreadPoolFunctionID （DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE，Function-ID）；／／释放线程

return 0；

｝

int CVICALLBACK Client1（void＊function-Data）／／线程函数

｛

while（Status1）｛

……

｝

return 0；

｝

5 结束语

系统采用以太网通信代替传统的串口通信，通过以太网交换机，实现对多个子任务系统同时监控的目的。利用PAC作为客户端与下位机系统，在完成调节任务与现场操作的同时，兼顾TCP／IP协议的数据传输，实现通信的稳定性［6］。在上位机使用多个客户端口数据同时接收处理的多线程功能，满足了系统的高效性。系统在飞机试飞中得到应用，目前运行稳定、良好。

［1］ 凌 晨，吴成富，吴佳楠．基于以太网的多通道数据监控系统设计与实现［J］．计算机测量与控制，2011，19（4）：851-853．

［2］ Richard Stevens W．TCP／IP详解（卷1：协议）［M］．范建华，等译．北京：机械工业出版社，2001．

［3］ 袁继敏，李小玲，古天祥．网络化数据采集系统的设计［J］．燃气涡轮试验与研究，2003，16（1）：41-44，56．

［4］ 范蟠果，陈 雪．基于Connect ME的油田远程监控系统的设计［J］．测控技术，2011，30（12）：41-48．

［5］ 史君成，张淑伟，律淑珍．LabWindows虚拟仪器设计［M］．北京：国防工业出版社，2010．

［6］ 泓格公司．泓格PAC产品数据手册［Z］．深圳，2011．