硬件架构（精选八篇）
硬件架构 篇1
配电管理自动化主站计算机系统是配电自动化系统的一个子系统, 它完成信息处理和加工任务, 是整个配电自动化的核心。调度计算机系统主要由计算机硬件、网络、各类软件和通信设备组成。配电自动化主站系统的核心是计算机系统。
1 调度计算机系统的配置
目前的配电自动化主站系统的普遍采用分布式的计算机网络。分布式系统是把系统的各项功能分散到多台计算机中去, 各台计算机之间用局域网相连并通过局域网高速交换数据。人机联系处理机以工作站方式接在局域网上。目前调度自动化系统普遍采用的模式是单机单网典型配置和双机双网典型配置。
单机单网系统当一台设备出现故障时, 调度主站的运行被迫中断, 因此可靠性不高。该模式的主站往往用在对可靠性要求不高的系统中, 或管理的系统规模较小。一般重要的配电网, 因调度主站系统实现对电力系统的监视控制, 而配电网对可靠性要求很高, 要求配电调度主站, 运行要求为7×24小时运行模式, 系统一旦启动, 要求长期稳定运行, 当电力系统出现故障或异常, 主站系统应在尽可能短的时间内将异常信息报告给调度员或系统维护人员。
分布式系统采用标准的接口和介质, 把整个系统按功能分解分布在网络的各个节点上, 提高了系统整体性能, 降低了对单机的性能要求, 提高了系统的安全性和可靠性, 且系统的可扩充性增强。
调度主站设备分为3类:计算机设备、网络设备、通信设备, 其它还包括调度显示屏幕、UPS电源、调度电话交换机等。
计算机网络中的工作站分为三类:前置工作站、服务器、Web服务器、工作站。工作站包括:调度员工作站、维护工作站, 转发工作站等, 为人机联系设备。
网络设备主要指调度交换机。
通信设备包括传输设备和接入设备。
2 各类设备的功能
2.1 人机联系设备
配电网管理采用配电调度自动化系统后, 要求调度人员利用这一系统全面、深入和及时地掌握配电网的运行状况, 做出正确的决策和发出各种控制命令, 以保证配电系统的安全、经济运行。
为了能够完成上述各项任务, 调度自动化系统必须能够实现人机对话。调度自动化主站系统中的人机联系设备就是为了实现人机对话而设置的, 它是配电调度自动化系统中操作人员和计算机之间交换信息的输入和输出设备。
这类设备分为通用和专用两种。通用的人机联系设备是指供配电调度计算机系统管理和维护人员、软件开发所使用的控制台、打印机等。
专用的人机联系设备是指专门供配电调度人员用以监视和控制配电系统运行的人机联系设备, 调度员工作站。非交互型的调度模拟屏和计算机驱动的各类记录设备及其它设备等。
2.2 服务器
调度系统的核心设备。接收前置机的信息, 并进行处理和存储, 根据建立的电网模型进行各种分析计算, 各种信息发送到调度员工作站。接收调度员工作站的命令, 并转发到前置机。系统运行时, 涉及到大量的实时性要求很高的数据的存储和处理。而数据库系统是实现有组织、动态地存储大量电网数据, 方便多用户访问的系统。以上任务的完成必须有一套快速、完善的数据库管理系统提供服务。因此, 设备上运行两套数据库系统, 实时数据库和历史数据库。
实时数据库必须具有联网功能, 以便管理全网分布式的数据, 保证全网数据的一致性。一般实时数据库管理系统都是各自开发的, 速度虽然可以保证快速实时的需要, 但接口标准化程度低, 不能完全符合各种通用的数据库接口国际标准, 这样的系统是比较封闭的。
调度系统的各种配置信息:配电网的基本信息, 基本管理信息。以及历史记录等信息用历史数据库存储。历史数据库选择商用数据库。
调度自动化系统的数据库分为实时数据库和历史数据库。实时数据库主要用于实时数据的储存, 由于其对实时性要求较高, 一般采用专用的数据库。历史数据库主要用于对历史数据的储存, 一般采用商用数据库。实时数据库管理系统与商用数据管理系统有机地结合起来, 使用户在使用时根本感觉不到有两套数据库管理系统的存在, 做到了完全透明。
2.3 Web服务器
将调度的各类信息, 通过建立的Web服务程序, 和服务器通信得到系统的各类数据。发布的信息和调度员工作站得到的信息一致。
2.4 前置机
调度自动化主站系统的数据采集与处理子系统, 常称为前置机 (Front-end Processor) 系统。前置机系统是各配电子站和变电站远动信息和主站进行信息交换的关口。
接收现场配电子站和变电站自动化的信息、是前置机的主要功能。由于系统中的配电子站和变电站自动化系统可能是不同厂家、不同型号的产品。前置机对不同厂家的设备送远动信息时, 可能采用不同的规约。
2.5 调度大屏和调度模拟屏
先进的配电自动化管理中心, 设置有调度大屏。大屏分为投影式, 和显示器式两种方式。先进的调度大屏可将, 任意一台工作站或多台的信息完整的显示在大屏上。最简单的大屏的信号来自一台调度员工作站。
传统调度模拟屏在调度控制台对面的墙壁上, 用以集中宏观地显示整个电力系统的运行情况。模拟屏一般采用各种模型元件组成系统的单线图。其中的断路器、隔离开关是用灯光的颜色表示其分合位置, 在事故跳闸时相应的断路器图形闪光。在各线上还镶嵌有电流或功率的指示仪或数字显示器。这样, 整个电力系统当前的结构状态、运行参数及潮流分布都能一目了然。模拟屏与彩色屏幕显示器配合使用, 给调度人员提供了极大的方便。
2.6 GPS时钟设备
GPS设备通过一定方式接在前置机上。GPS得到卫星时钟信息和前置机进行对时, 前置机和主站其它计算机实现对时, 前置机和所接的配电子站实现对时。
2.7 安全隔离设备
系统对外通信的连接设备。特殊的通信方式。
2.8 交换机
用于各种计算机信息的交换。
2.9 通信接入设备
包括路由器、调制解调器、光通信接入设备等。主要完成与调度厂站端的通信。
3 结论
配电网自动化系统是一个涵盖面广, 用于运行管理配电网的综合自动化系统, 其中包含了配电网中的变电站、馈线网路及用户管理、监控、运行优化等功能的系统。因此, 其硬件构成也相对复杂, 涉及领域较多。如何保证硬件架构有序的运行对于电网安全可靠运行有着至关重要的作用。
摘要：本文结合调度主站系统, 分析了在配电自动化主站中的核心地位, 讨论了调度计算机系统的典型配置, 详细阐述了各类设备的主要功能及要求。
关键词：电力系统,配电自动化主站,硬件构成
参考文献
硬件架构 篇2
业内将IBM的这种做法类比于目前移动互联网终端市场芯片厂商ARM。继IBM今年年初将其X86服务器业务出售给中国联想之后，Power系列（芯片及服务器）成为IBM尚具硬件业务的主要代表，所以IBM此番效仿ARM的做法也被业内认为是IBM试图保留其硬件业务最后的努力。那么IBM的这种做法能否拯救日渐式微、甚至被边缘化的Power服务器业务，或者说是拯救IBM的硬件？
众所周知，IBM之所以开放其Power架构，是因为基于Power架构芯片的自家服务器业务在英特尔X86架构服务器业务的冲击下，无论是营收，还是市场份额均处在大幅下滑状态。而IBM每年还要为此投入数十亿美元的研发费用。例如其最新的Power8芯片就耗费了IBM 三年的时间和24亿美元。从这个意义上看，IBM开放其Power芯片架构最主要的目的还是为了分摊成本，即借助别人的力量来保持Power的存在感。故这种开放并非主动之需，而是无奈之举。
但令人困惑的是，与Power芯片的黄金搭档AIX操作系统，IBM并未向业内开放，这无疑又让业内质疑IBM这最后一赌的诚意。虽然IBM在不同的场合解释其不开放AIX的原因，是因为Unix市场已日落西山，Linux才是发展趋势，但是Power +Linux的组合与Power+ AIX究竟会表现如何？毕竟IBM在开放其Power芯片架构之后，自己也要生产自己的Power芯片及服务器，这难免与合作伙伴生产的基于开放架构的Power Linux服务器发生对比及冲突（包括未来的客户），而这也引出IBM开放架构与ARM开放的不同之一。因为ARM开放之后，自己是不制造和生产芯片，更不用说终端和系统了。
此外，与ARM阵营相比，至少从IBM的Open Power联盟成员的组成看，尚没有ARM阵营的高通、苹果、联发科等这样可以在设计、性能或者价格等方面各有所长的厂商。虽说近期三星加入到了Open Power联盟，但其主要意图是希望借助Power的开放架构来优化自己在服务器中使用的内存芯片。而从系统（服务器）厂商看，也缺乏X86服务器市场中像惠普、戴尔等这些服务器厂商的支持。也就是说，IBM开放Power架构，不管是在最基本的芯片层面，还是在系统（服务器厂商）层面均缺乏使其恢复增长的初始动力。要知道目前英特尔的X86架构已经占据了服务器市场（包括数据中心、云计算等）近乎100%的市场份额。这种绝对劣势之下，初始动力就显得尤为重要。
第三是与ARM在移动互联网设备市场低廉的授权费用相比，Power架构所谓开放的授权费用始终是个未知数。不过从IBM多次透露希望通过Power架构的相关授权可以提振IBM硬件营收及在从未提及与X86服务器相比的成本看，至少其开放Power架构之后的优势并非是成本和价格，而众所周知的事实是，Power之所以走到今天因业绩不佳而开放的地步，高昂的成本是主要原因之一。
第四就是IBM开放Power架构后生态系统（应用）的问题。由于开放后，IBM合作伙伴主打的将是Power+Linux（因为AIX并不开放），这意味着其生态系统近乎于重建。据称，目前针对Power+Linux的应用在500多种，这与X86生态系统（X86+Linux和X86+Windows）数千种应用相比，根本不具备竞争能力，但谁都清楚，一个生态系统的建立，是需要巨额投入的，尽管IBM是主角，但Open Power联盟的成员也不得不分摊这些费用。重要的是，对于客户而言，放着成熟及更多应用的X86生态系统，不用和迁移至Power+Linux的理由在哪里呢？
第五是除了X86这个强劲的对手外，ARM也正在借助其在移动互联网市场的成功进入到服务器市场，而其低廉的成本无疑又会成为Power在价格上最大的对手。上有X86完善生态系统的狙击，下有ARM的封底，可以说Power开放后所在的市场，很难彰显出其优势。
综合上述简单的分析，我们认为，IBM开放其Power架构是其可能最终退出硬件市场的最后的疯狂和前兆，加之其出售X86服务器业务之后，有关其出售芯片及生产厂的传闻一直不断，IBM退出硬件市场也许为时不远了。而所谓的开放，无非是向业内刷下硬件的存在感而已。
酒店智能客房设备管理系统硬件架构 篇3
1.1 应用方式
当酒店客人在前台办理入住手续后, 前台软件自动把已租信息发送到当前房间, 房间空调自动开启进行温度调节, 窗帘自动打开, 给客人一个不一样的入住感受, 进入房间后各种灯光空调窗帘的符合场景, 已达到操作便捷化, 配以各种温湿度, 照度, 人体感应传感器, 自动运行一些酒店场景时可纺设备控制智能化, 给客人一个舒适的环境, 当客人外出后, 客房灯光自动关掉, 受控供电自动断掉, 空调进行保温模式, 使酒店进最大可能的节能。
1.2 实现方案
在本系统中, 在房间内部对个设备系统采取模块化设计, 可分为网络控制器模块, 灯光控制模块, 风机盘管模块, 窗帘控制模块, 温控器模块, 插卡取电等分部模块, 然后各模块之间通过专有的485协议维系之间的联系, TCP/IP协议把房间内的个设备的状态上发, 把前台或其他部门的控制命令下发。
2 模块组成
2.1 网络控制器模块
2.1.1 硬件部分
模块共分成四个部分:网络部分, 存储部分, 客房各分部设备之间485网络维护部分, 外部接口部分。
网络部分:将客房各设备的运行状态, 和采集的各种外围环境值送到前台或个需要单位, 将酒店前台或者酒店客人的移动终端等的控制信号或场景编程信息送入各个分部模块, 完成整个系统的控制, 编程, 反馈的数据交互。
存储部分:存储从个分部模块采集上来的运行状态和采集的各种外围环境值。存储个分部模块的场景配置值, 当有模块损坏或更换时, 自动读出存储数据对个分部模块进行参数初始化。
485网络维护部分:管理客房内个分部设备之间数据交互, 整个内部网络的管理者, 通个485网络采集各分部模块的运行状态和环境采集值等。
外围接口部分:接外部弱电开关, 个中传感器, 如人体红外感应器, 门磁, 窗磁, 温度传感器, 湿度传感器器, 照度传感器等, 按照外部给来的指令, 通过软件进行旁别个设备是否达到被动动作或者自动运行的条件。
2.1.2 软件部分
为了整个系统的可靠运行, 在本系统中采用采用ucosii为操作系统, 对模块的个运行任务进行合理调度。在主运行任务主要执行, 外部接口扫描任务和485数据采集, 检测到任务启动触发信号后, 开启所需执行任务, 任务执行后自动挂起。提高整个系统资源的利用效率。
本模块设计过程中参考了国际客控设备的主流做法, 将主要功能承载在本模块中, 明晰了各模块的运行流程和后期的维护方法。增强了系统的稳定性和可维护性。也为酒店的个性化需求提供了坚实的基础, 减少了酒店客房弱电设计的难度, 也为酒店的后期改造和增加功能模块提供的基础。
2.2 各个控制模块
2.2.1 灯光控制模块
本模块为含8路弱电输入和8路10A强电输出回路。主要承载客房内亮化等的开启和关闭, 其中8路弱电输入为弱电开端输入, 支持常开闭和点触式的开光方式, 一路弱电输入对应一路强电输出, 并支持通过485通讯下发的各种场景对应控制方式, 并将弱电开关值对应到对应的强电输出值返回给网路控制器, 以准备下一次的正确动作。
2.2.2 风机盘管模块
本模块是针对中央空调系统中风机盘管控制部分的模块, 在节能中承载了很重要的角色, 酒店耗能的很大一部分就是空调系统, 本模块可以根据酒店方的设置和编程进行相应的节能控制, 本模块支持各种管制的中央空调系统, 并支持接入温湿度传感器, 通过与温度控制器配合控制使用, 或者接受通过485通讯下发的各种场景对应控制方式。
2.2.3 窗帘控制模块
可对客房内窗帘进行开关控制。该终端的控制模式:与照度、温度进行联动控制的自动控制模式;通过自带通信接口进行远程控制;也可通过配接的本地开关面板进行控制。提供了电动窗帘的控制输出口 (支持强电和弱电输出) 有照度 (模拟量4-20m A电流) 湿度 (数字量) 和风雨探测器 (开关量) 的接口。
2.2.4 温控器模块
和风机盘管控制配合使用, 可以手动/自动设定运行模式;显示室内/室外温度;显示当前温度与设定温度;冷/暖风切换;时间显示;
3 各模块数据交互流程
3.1 模块组网部分
正常上电后, 发广播命令, 下端个部件上传各自身份 (编号类型) 每种设备最大16个。检查总线, 1S无信号后再次上传广播命令 (定时器中断处理) , 同上, 校验无误后, 发握手成功命令;挂起任务;执行大循环, 如有误, 再次广播直到检验无误后为止。
如在使用过程中有新的设备加入, 先进行读总线操作, 10ms后无总线数据, 发送加入网络请求, 等待一个大循环周期当发现有重复地址灯错误时, 灯亮提示, 保持原有组网方式, 并发送请求失败命令子部停止发送加入请求。存储组网方式。主机部分读到加入请求后在完成一个大循环操作后发送同意上传加入机类型及地址。操作两次, 发组网完成命令。
3.2 系统通信维护部分
无任务机发送任务命令, 主机20ms广播一次, 有任务的按序上报, 第一个任务上报完成后。第二任务有任务在读总线空的情况下, 10m后发送, 若无任务, 自加5ms第三个发送, 如无数据, 后任务机同前处理。主机发送命令执行机应答命令, 500ms。
4 总结和展望
有了现代技术的支持, 酒店从标准化向个性化服务的转变就势在必行。酒店管理者可以将客人的各类信息通过处理储存在电脑信息库中, 制定针对性的措施来满足客人的不同需求, 让客人感觉到酒店所做的一切都是为其特别制作的。客人在酒店购买的不再只是床位和菜品, 而更多的是一种物有所值的经历、荣誉和尊严。这就要求酒店经营管理真正从标准化管理向个性化管理方向发展, 希望能在我们广大技术人员共同努力下创造经济, 绿色, 科技, 人文的酒店管理模式。
摘要：高档酒店客房的设计除执行国家规范外, 还要满足功能上的要求, 特别是星级酒店既要舒适和方便, 又要体现品位。根据国家旅游局最新推出的《旅游饭店星级的划分与评定》标准中, 重点突出了对客房控制智能化、人性化、舒适度和绿色化这些方面的加分力度, 并提出对酒店可持续改进的期望, 因此既能集中体现酒店的智能化又能为酒店节约成本、加大拓展空间、提升酒店档次的客房智能控制网络系统已经成为近年来酒店行业发展的新趋势。
硬件架构 篇4
皮带传动是指其可以产生连续的旋转运动,将一个传动轮的力传递到另一个上。皮带的优点是有很好的弹性,能在工作中缓解震动和冲击,使其平稳没有噪音。当负载量过大时,皮带便会在轮上打滑,因此可以防止其他零件损坏,起到安全保护作用。皮带是一个中间零件,它可以根据需求来选取长度,以适应中心距要求较大的工作条件。结构简单且容易制造,成本较低。
设计研发一套带通信的皮带保护系统,其中包含皮带保护和主控制器。皮带保护是确保皮带可以安全运行的各种开关,之前的皮带保护基本上都是通过分组串连接至可编程控制器(PLC)上,当其中有一个保护动作时,PLC便可以完成皮带停机的功能,但只可以显示是哪一组动作,不能具体到某一个保护上。我们现在想开发一种可以识别皮带保护地址的系统,也就是说,当由于皮带保护动作导致皮带停机后,可以在主控制器及上位机(通过PLC)上显示出具体是哪种以及哪一个皮带保护动作了。
2 Mini STM32开发板硬件解析
2.1 STM32硬件体系结构
STM32内置高速存储器,采用Corte-M3内核的微控制器,增强I/O端口和可以连接到两条APB总线的外设。这些器件无论什么型号都包括2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器,还有多达2个I2C接口和SPI接口、1个USB接口、3个USART接口和1个CAN接口。STM32处理器的供电电压为2.0~3.6 V,温度范围为-40℃~+85℃,扩展温度范围为-40℃~+105℃这些省电模式可以确保低功耗应用的要求。
2.2 STM32单片机的优点
单片机已广泛地应用于各个领域,包括工业、仪表、机器人以及家用电器等等,这些应用领域大大提升了产品功能、质量以及产品的精度。
(1)操作简便、价格低廉。
初次接触单片机的初学者,只需要一条ISP下载线,把编辑好的程序或者需要调试的软件程序直接写入STM32单片机即可,这样便可以开发STM32单片机系列中各种被封装的器件。STM32单片机便于升级,价格低廉。可以直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作,便于产品升级。
(2)低耗、高速、保密。
STM32单片机耗能低,有些器件可以在低电压下工作。而且在STM32单片机上包含预取指令的功能,可以使指令在一个时钟周期内全部执行。即在执行一条指令时,可以预先将下一条的指令取进来。并且数据的处理速度快。STM32单片机上包含32个通用工作寄存器。最后,STM32单片机具有不易被破解的位加密锁Lock Bit技术,使其保密性能良好。
(3)I/O口功能强,具有A/D转换等电路。
STM32单片机的I/O口能准确反映输入/输出口的真实情况。那些具有大电流的工业级产品,可以直接驱动继电器或者可控硅SCR,有效地节省了外围驱动器件。同时,STM32单片机内只带模拟比较器,可以将I/O口用作A/D转换,组成A/D转换器。STM32单片机具有很高的可靠性,可以重设启动复位。
(4)有强大的通讯接口和定时器/计数器。
STM32单片机的定时/计数器因存在两种位数,可以用作比较器。此外,STM32单片机具有高速的特性,它有串行异步通讯UART接口,因此不会占用SPI同步传输功能。
(5)片内EEPROM。
与FLASH不同,EEPROM电可擦除只读存储器是按照字节读写的,作为一个独立的数据空间存在。EEPROM的使用时常至少为100 000次擦除周期。其访问方式由控制寄存器、数据寄存器和地址寄存器来决定,可以通过SPI和JTAG以及并行电缆来下载EEPROM数据操作。
3 单片机外围电路设计
单片机外围电路设计主要包括电源设计、复位电路的设计、光耦设计、继电器设计、时钟电路的设计、下载端口设计、驱动电路设计、开关量设计、闭锁线检测电路设计、PLC开关量通过RS232的电路设计、预留PLC电路设计以及单片机所需引脚的连接。
3.1 RS232通信模块
RS232是一种PC机通信中比较常用的串行接口。通过RS232通信模块,PLC开关量发送数据与STM32进行通信,以此来进行整体操作的控制。
RS-232采用单端通信的不平衡传输方式,在低速率串行通讯中,是一种可以加大通讯距离的单端标准。将接收和发送端的数据信号看成信号地。信号在正负电平之间上下波动,在发送数据时,发送端驱动器会输出不同电压的正电平和负电平。正电平的电压大小在+5~+15 V,负电平的电压在-5~-15 V。当没有数据传输时,线上电平为TTL电平,因此,在开始传输数据到数据传输截止,线上电平由TTL电平至RS232电平再返到TTL电平。
3.2 STM32 RTC时钟模块
RTC模块的计数器是一组具有可以连续计数的计数器,它和时钟配置系统在后备区域,RTC可以保证当系统重置或唤醒时的时间和设置不更改。但在系统重置后,为了防止后备区域被进行意外写,会自动禁止访问RTC和后备寄存器。
RTC由APB1接口和一系列可编程计数器这两部分组成。APB1接口与APB1总线相连,其一组16位寄存器可通过总线进行读写;一系列可编程的计数器又叫RTC核,包括预分频模块和一个32位可编程计数器。
另有复位电路、下载端口等模块,不在这里一一赘述。
4 硬件实现
4.1 下载硬件连接
该开发板提供3种固件载入方式:JLINK(PC通过JTAG与主控制器连接)、串口转USB口和LAN。下载线同时通过JLINK,串口转USB口,由这个口提供电源。
4.2 下载过程文件
把硬盘中已经编译好的.hex文件下载到电路板上。
4.3 硬件运行
程序下载完毕后,接通电源,开发板R2323的RX与TX分别接到USART1的TX与RX,即就是PA9与PA10。然后运行系统,前台PC机发送的数据包通过485总线传输,传送给主板解析后发送给下台PC机,若想停止系统,关闭电源即可。
摘要：皮带传动设备故障检测系统主要是指当皮带传动装置发生故障时的检测以及恢复系统,保障其能在工业等方面正常运转。该文主要设计了一种皮带传动设备故障检测系统的硬件架构,实现故障的自动检测、报警以及保护功能。
关键词：皮带传动,硬件架构,自动检测
参考文献
[1]张建,王凤贺,张秋菊.用STM32单片机实现嵌入式手持数据传输设备的设计[J].光电技术应用,2002(4):25-28.
硬件架构 篇5
飞控铁鸟台架加载系统的主要功能是在飞控系统地面模拟试验中实现对控制面气动铰链力矩的模拟,对飞控系统静、动态特性进行检验,为飞控作动器提供真实的模拟工作环境。
它可以把飞控仿真机或舵面位置传感器传送来的信号实时解算为相应的力载荷谱信号,以模拟该舵面所受到的气动铰链力矩,从而检验气动铰链力矩作用下的飞控系统性能。
1 加载控制系统原理
在某型号飞机飞控铁鸟台加载系统中,加载计算机控制系统实时采集飞行仿真系统的飞机运动参数(飞行高度、空速、舵偏角等),通过加载控制系统解算出相应的舵面载荷力,作为力控制指令信号,经伺服放大后控制电液伺服阀输出力,驱动加载作动器实现加载(由泵站提供加载作动器工作油压),从而完成模拟飞机舵面所受到的气动铰链力矩如图1所示。
2 加载控制系统的硬件架构
加载系统的设计需要满足舵面的加载技术要求,需要实时接受仿真机指令,完成闭环控制;同时,要兼顾用户操作界面的美观、方便。因此,采用基于VME总线的两级分布式系统结构,控制系统通过实时网卡与仿真计算机实时通讯;每套控制系统的加载信息(加载指令与反馈、加载作动器位移),还通过以太网传送到试验管理系统的监控计算机以进行数据显示。加载控制系统的硬件拓扑结构如图2所示。
第一级是以气动力加载监控计算机为核心的试验管理级(上位机),采用台式工控机作为监控计算机。该级可实现试验资源管理,设置试验参数和伺服控制器参数的人机交互功能。
第二级是以VME零槽控制器为核心的实时控制级(下位机),主要包括零槽控制器模板、模拟信号处理器模板(包括信号调理、伺服阀驱动放大等功能)、实时网卡、信号转接板。这一级完成设备状态监测,获取波形数据和反馈数据并传输给监控计算机用于图形显示,提供阀电流,对载荷信号传感器提供激励电压并将反馈电压放大等功能。第二级与第一级通过以太网进行数据传输。下位机各功能模块排布如下图所示:
3 下位机各模块功能
3.1 VME零槽控制器模板
一个VME零槽控制器模板可以实现10个通道的加载控制,实施数字闭环控制、PID调节、载荷超限处理等。奔M处理器是一种高速数据处理器,适用于实时数字信号处理,如FFT、数字滤波器、频率合成、相关和卷积等。因此,控制器可以支持多种控制算法,实现软件前馈校正、状态观测器等各类提高系统性能的控制方法。零槽控制器还配有32路A/D与16路D/A资源,实现外部信号的采集以及模拟量信号的输出。(见图4)
3.2实时网卡
VMIVME-5565实时网卡可以使加载系统与仿真计算机实时通讯,其指标如下:
1)256 nodes节点
2)多节点连接光纤长度可达300m,单节点可达10 km
3)动态数据包大小:4 to 64 bytes of data
4)网络传输速率:43 Mbyte/s to 174 Mbyte/s
5)VME transfer rate TBD
6)64 Mbyte or 128 Mbyte SDRAM Reflective Memory
7)两个独立的DMA通道
3.3 模拟信号处理器模板
模拟信号处理器模板实现力与位移传感器的信号调理与伺服阀驱动功能,包含力信号调理器、位移信号调理器、伺服阀驱动放大器、数据通信等几部分功能模块。每块模板可以实现1路力传感器的激励与信号调理、1路位移传感器的激励与信号调理、1路伺服阀的驱动。
1)力信号调理器与位移信号调理器功能模块
控制系统中的力信号采用拉压力传感器获取,并经信号调理器处理后,传送给零槽控制器的A/D。位移的测量采用位移传感器获取,并经信号调理器处理后,传送给零槽控制器的A/D。信号调理器可方便地观察电路各点的电压,调节反馈增益,完成系统标定。其中,可采用数字方式调节的参数包括:反馈通道的增益、传感器激励电压、反馈通道的零点电压、反馈通道的桥平衡电压;
2)伺服阀驱动放大器功能模块
伺服阀驱动放大器实现对伺服阀的控制,其中可采用数字方式调节的参数包括:阀平衡、阀极性、阀颤振;
3)数据通信功能模块
采用MCS51单片机并通过RS485串口接口电路与零槽控制器的RS485进行通讯,实现对信号调理器和阀驱动器的数字化参数调节。
模拟信号处理器模板的拓扑结构如图5所示。
4 结束语
本系统已在某型飞机飞控系统地面模拟试验中有效运用。事实证明该系统操作简单、实用、功能全,可以较为准确地模拟飞机舵面所受到的气动铰链力矩。
参考文献
[1]吴麒,慕春棣.自动控制原理[M].北京:清华大学出版社,2002.
[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社,2005.
[3]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京:科学出版社,2001.
硬件架构 篇6
喷油器是高压共轨燃油系统的核心执行器, 喷油器高速电磁阀驱动是共轨ECU的核心驱动模块。喷油器驱动的好坏直接影响着发动机的性能[1]。喷油器要实现喷油定时、喷油量、喷油速率的精确控制及柔性可调, 高速电磁阀驱动必须满足快速开关、低驱动功耗、驱动电流稳定一致等要求。目前, 高速电磁阀驱动常采用高低压联合驱动, 用升压电路产生高电压快速打开喷油器, 用电源电压进行PWM调制维持较低的保持电流[2,3]。高电压的快速打开和电源电压PWM调制, 要求喷油器驱动电路分时应用复杂的驱动波形。
当前的高压共轨ECU通常采用硬件电路产生复杂的驱动波形[4,5]。这样的方案虽然能解决驱动波形产生和合成问题, 但由于硬件方案的相对固定性, 难以实现喷油器驱动波形的优化调整, 系统的可扩展性、兼容性都受到影响。硬件控制芯片的性能会随着温度及时间产生漂移偏差, 这些偏差会造成驱动信号的畸变, 进而影响高速电磁阀的驱动电流, 导致喷油定时和喷油量偏离预期值, 对发动机的控制效果恶化。此外, 纯硬件的驱动解决方案也会造成成本的上升。
为了解决以上不足, 借助新一代单片机清晰合理的体系架构、强大的数据采集处理能力及计算分析能力, 本文提出一种基于软硬件架构相协调的智能喷油器驱动实现方案。该方案可以通过软件灵活方便地配置喷油器驱动波形, 快速匹配各种以高速电磁阀为执行器的喷油器;可以实现对喷油器电流的实时采样监测, 利用电流反馈修正喷油器驱动波形, 保证各缸喷油器电流的一致性和稳定性。基于此方案, 开发了完整的高压共轨柴油机ECU硬件平台, 并匹配进口和国产喷油器完成了发动机匹配标定试验, 证明了智能喷油器驱动方案的可实施性、灵活性及可靠性。
1 喷油器驱动需求分析
1.1 功能需求
以高速电磁阀为执行器的喷油器, 其理想的驱动方式为采用两段式/三段式的电压电流驱动, 两段式电压电流波形如图1所示。
在打开阶段, 用升压电路提供的高电压瞬间给喷油器电磁阀注入大量电磁能, 使喷油器能快速打开, 减少电磁延时。在喷油器打开后, 为了降低整个系统的功耗, 采用电源电压 (24V) 的PWM调制控制电流, 使电流值维持在一个合理值, 既保证喷油器针阀稳定吸合又尽可能降低系统功耗。当喷射结束后, 驱动模块应能使高速电磁阀电流快速降为0, 迅速撤去电磁吸力, 防止喷油器过后滴油。
1.2 可靠性与灵活性需求
喷油器驱动除满足功能需求外, 还需要很高的可靠性[6]、智能化和一定的灵活性。在发动机的工作温度和工作寿命内, 各缸喷油器高速电磁阀的电流值要保持恒定一致, 确保各缸喷油量的稳定一致[7]。随着喷油器的老化, 其高速电磁阀的感抗和阻抗特性也会产生变化, 驱动模块应具备智能识别和纠正偏差的能力。喷油器驱动模块要做到与喷油器电磁参数的解耦, 可以通过软件配置适应不同厂家生产的电磁特性各异的喷油器, 从而使匹配开发阶段燃油系统的选择具备最大的灵活性和可配置性。
2 单片机选型及其体系架构
2.1 TC1766单片机简介
智能喷油器驱动模块要通过合适的单片机平台和软件架构提供智慧支撑, 所选择的单片机应具备灵活快速的波形产生和合成能力、快速的数据采集传输能力、高速的数据处理能力和有竞争力的价格。综合这些要求, 选择英飞凌公司Tricore系列TC1766单片机。
这款单片机专为复杂的发动机控制开发, 具备强大的计算能力、丰富的外围模块、极快的中断响应时间、出色的DSP能力和很高的可靠性, 可以满足发动机控制的实时性和可靠性要求。在物理上除主计算核Tricore外, 还拥有一个自带RAM的外围事件处理器核PCP2。PCP2是一个简化的计算单元, 可以对TC1766所有外设发出的中断做响应处理, 承担外围事件管理功能, 以减轻主运算单元的负担, 实现软件的分层架构, 增强系统的实时性。
2.2 TC1766体系架构
TC1766的体系架构详见文献[8]。Tricore计算核以其强大的计算能力和DSP能力, 主要用于支撑ECU应用层控制策略模块的执行, 在智能喷油器驱动模块中也用于喷油器电流采样数组信号的分析处理, 实现喷油器电流闭环反馈控制和故障诊断。支持智能喷油器驱动实现的外围模块主要有: (1) 通用定时器阵列 (GPTA) 模块。该模块以矩阵的形式提供大量定时器和计数器, 用户通过对定时器之间的编程级联及对捕捉比较功能的灵活应用, 可以完成对复杂波形的分析和复杂波形的合成。在本方案中通过此模块建立发动机位置识别系统 (EP模块) , 并产生执行器驱动所需的复杂驱动波形 (CSG模块) 。 (2) 快速模数转换 (FADC) 模块。该模块能提供转换时间小于0.5μs的快速AD采样, 用于对喷油器电流的实时高速采样, 支持喷油器电流的闭环控制。 (3) 直接存储访问模块 (DMA) 。该模块可以实现单片机地址空间内两个不同地址之间大量数据在无CPU干预下快速传递, FADC模块采样获得的喷油器电流数据通过此模块传送到系统RAM缓存区, 供应用层电流数据分析任务处理。 (4) PCP2外围事件处理器核。该辅助处理器核用于外部中断事件的处理, 是基础软件的载体, 实现应用层任务和基础软件任务的并行高效处理。
TC1766单片机体系架构有利于应用层软件和基础软件的分层并行处理[9], 可以使主核专注于发动机控制策略实现的同时利用辅核和外围模块提供的智慧资源实现智能喷油器驱动。
3 喷油器驱动软件架构
智能喷油器驱动软件架构如图2所示。运行于Tricore计算核的控制策略任务基于基础软件提供的当前发动机转速经过踏板滤波、扭矩协调、扭矩油量转换、油量脉宽转换等模块的运算后得出当前循环的喷射提前角和喷射脉宽, 并写入数据缓存区 (数据池) 。另一个运行于PCP2核的任务读取当前喷射脉宽和脉射提前角的物理值, 将其转换成基础软件可以识别的控制寄存器的整型值。TC1766的GPTA模块负责复杂PWM波形的分析和合成, 它输入曲轴和凸轮轴信号, 经过信号防抖滤波、捕捉采集后, 获得发动机当前的相位和转速并存入数据池, 供应用层控制策略调用。高压共轨发动机输入的曲轴信号通常是 (60-2) 齿信号, 精度为6°CA, 远不能满足喷射提前角控制精度的要求。在GPTA模块中, 对输入的曲轴信号经过内部硬件倍频后产生精度为0.1°CA的信号, 构成ECU的微齿信号系统[10]。GPTA以微齿信号为基准, 根据控制寄存器的值, 通过三个管脚 (P1、P2、P3) 发出喷油器驱动信号。P1管脚用于控制升压模块输出高电压的打开/关闭控制;P2管脚用于电源电压的PWM调制;P3管脚在喷油器打开全过程中都为高电平, 用于低边MOS管控制。
本文软件架构支持对喷油器电流的实时监测。喷油器电流在流经采样电阻时可以将电流信号转换成可方便采集的电压信号。通过外部多路选择器, 在喷射时间窗口内将此信号传递给TC1766的快速采样模块 (FADC) 。FADC模块将对电流信号进行高频采样, 获得的数据通过直接存储访问模块 (DMA) 传输到系统的内存RAM中。ECU控制软件对此信号进行分析以实现故障诊断, 动态调节喷射脉宽, 保证各缸的喷射电流始终为设定值, 为各缸喷油量的一致性打下基础。
4 喷油器驱动硬件架构
结合图2所示喷油器驱动软件架构, 为了实现喷油器快速开关及降低功耗实现理想的喷油器驱动电流, 本文设计了如图3所示的喷油器硬件驱动方案。一路喷油器驱动由三个N型MOS管控制, 分别为升压电压控制开关MOS1 (P1输出作为控制信号) 、电源电压控制开关MOS2 (P2输出作为控制信号) 和喷油器低边控制开关MOS3 (P3输出作为控制信号) 。为了降低系统的成本, 在设计中进行了上桥复用, 每两路喷油器共用一个上桥模块。喷油器1和喷油器2共用上桥, 通过下桥独立控制MOS3和MOS4来控制喷油器1和喷油器2的开关。对于一个典型的六缸柴油机ECU, 其完整的喷油器驱动由三个独立的喷油器驱动模块构成, 在系统的可靠性和经济成本之间实现了较好的平衡。
本文以喷油器1为例来分析高低压联合驱动的工作原理和过程, 其控制MOS1、MOS2、MOS3驱动信号和喷油器预期电压电流波形, 如图4所示。在每次喷射期间, 低边开关MOS3常打开。在喷射开始时, MOS1打开升压模块产生的高电压直接用来驱动喷油器, 喷油器的电流迅速上升达到峰值电流, 缩短喷油器开启电磁延时。当达到峰值电流后为了降低系统功耗, 也为快速关闭做准备, 采用电源电压PWM波调制的方式使喷油器电流维持在一个合理的值, 这样既可以降低功耗又确保高速电磁阀能稳定吸合。当PWM为高电平时, MOS2打开电源电压为喷油器电流补充能量, 电流变大。当PWM为低电平时, MOS2关闭, 此时喷油器、MOS3、续流二极管D2构成续流回路, 喷油器电磁阀充当电源, 续流回路的低阻抗特性使喷油器电流缓慢下降。如此往复, 构成了喷油器的电源电压PWM调制阶段。当一次喷射结束后, 要求喷油器电流能快速下降, 从而使高速电磁阀的电磁吸力迅速撤除, 避免过后滴油的发生。为了保证喷油器电流迅速撤除, MOS3关闭后电流不再经过续流通道缓慢下降, 电感反向电动势的泵升电流将流经二极管D3给升压模块的大电容充电, 既实现了能量的回收利用又达到快速关闭的效果。二极管D3阴极相连的大电容将喷油器关闭瞬间的反向电动势钳位在升压电压值, 避免过高的反向电动势击穿损坏MOS3。
5 软硬件架构协调一致
本文开发的智能喷油器驱动, 其喷油波形由单片机的控制管脚P1、P2、P3直接发出, 经外围硬件放大电路后驱动实际的喷油器。
对于每路喷油器驱动有八个可标定参数定义喷油器驱动波形, 相关可标定参数如表1所示。
通过对每路喷油器这八个参数的标定调整可以灵活配置每缸的驱动波形, 迅速匹配不同厂家电磁特性各异喷油器, 甚至在同一台发动机的不同气缸匹配不同厂家的喷油器进行对比评价试验, 实现最大的灵活性和可配置性。
在喷油器电流的开环控制中, 这八个参数可以事先通过试验标定确定。喷油器硬件驱动通道架构的设计 (图3) 使得喷油器电流会持续流过采样电阻, 电流流经采样电阻产生的压降经硬件滤波器和放大器后, 以驱动管脚P3信号做为外部硬件多路选择器的选择信号送给单片机的FADC模块, 单片机在喷射窗口采集喷油器电流信号。喷油器电流的闭环控制任务使能后, 会根据用户设定的每缸Ipeak、Ihold、Ihold-up、Ihold-down等参数及控制参数限值, 基于电流采集数据对喷油器驱动波形控制参数进行动态调整, 如图5所示。喷油器电流闭环控制, 动态调整软件产生的驱动脉冲 (P1、P2、P3) , 并通过外部硬件放大电路施加到喷油器驱动, 可以消除各缸喷油器电磁特性不一致导致的各缸喷油器电流误差, 避免各缸喷油量不一致。当喷油器长时间运行后其高速电磁阀会不可避免的出现老化现象, 电磁特性与新喷油器相比出现差异, 此时软硬件架构相协调的喷油器智能喷油器驱动方案可以保证喷油器电磁阀电流波形的稳定, 修正喷油器老化带来的喷油量差异, 确保发动机的全寿命周期稳定可靠工作。
6 喷油器驱动试验验证
6.1 控制器 (ECU) 开发
以本文提出的软硬件架构相协调智能喷油器驱动为核心技术, 开发了适合于六缸高压共轨柴油机的控制器 (ECU) 。ECU匹配某型大功率柴油机开展了台架试验和整车试验, 进行了扭矩控制、油量控制等性能试验及排放和耐久试验。ECU经受住了发动机试验现场严酷工作环境的考验, 并可以灵活匹配不同厂家的喷油器开展性能对比试验。ECU匹配试验发动机如图6所示。
6.2 多次喷射试验
燃烧理论研究和试验表明:含有预喷和后喷的高压共轨柴油机燃油多次喷射策略可以明显降低氮氧化物 (NOx) 和PM等污染物的排放, 满足越来越严格的排放法规, 并可以改善发动机振动噪声性能[11,12]。多次喷射策略的执行需要喷油器驱动的支撑。本文设计的喷油器智能驱动模块可以满足多次喷射策略的要求, 五次喷射波形的示波器截屏图如图7所示。其中, 软件设置为三段式五次喷射波形, 每缸每循环均实现五次喷射, 喷射脉宽为1ms, 同一缸两次喷射间隔为0.9ms, 两缸之间喷射间隔为3ms。升压模块输出电压在电流峰值时刻会有3V左右的压降, 但升压模块能在下次喷射前将电压恢复到48V的设定电压, 升压模块可以满足多次喷射的要求。从电流波形可以看出, 喷油器打开时, 电流能迅速上升到峰值电流25A, 当进行PWM调制时, 电流缓慢上升和下降。而喷油顺关闭时, 电流快速降至0, 满足喷油器驱动需求。
多次喷射试验表明:智能喷油器驱动模块能快速准确产生可标定参数设定的喷油器驱动波形, 驱动各缸喷油器正确可靠工作。基于电流闭环检测的反馈控制架构, 能够确保各缸喷油器高速电磁阀在高频快速开关过程中电流驱动波形的一致性, 实现喷油量和喷油定时的精确可控计量。
6.3 匹配不同喷油器
在发动机燃油系统匹配阶段, 常需要通过台架试验评价不同厂家喷油器的性能。作为对比试验, 有时候需要在同一台发动机不同气缸上安装不同厂家的喷油器, 而不同喷油器要求的驱动电流波形 (两段式/三段式电流驱动、峰值电流、维持电流等参数) 常常差别很大, 这对ECU喷油驱动模块的灵活性提出了很高的要求。传统的纯硬件喷油器驱动电路在配置不同喷油器时常常要改变硬件电路, 改动量大, 需要硬件工程师的支持, 难以实现快速匹配和灵活匹配。本文开发的智能喷油器驱动, 每缸喷油器驱动波形均由表1所示的八个独立控制参数设定, 通过标定控制参数即改变不同缸的喷油器驱动波形, 可以非常灵活方便地匹配不同厂家的喷油器。通过软硬件架构的电流闭环自调节控制, 能够保证喷油器电流波形的长期一致性。在某型大功率高压共轨柴油机喷油器性能对比试验中, 发动机的6#缸装备国产喷油器, 其余五缸装备进口喷油器。6#缸和其余五缸在软件程序中应用不同的驱动波形控制参数, 在自主开发ECU控制下发动机实现了稳定运转。6#缸某型国产喷油器的电压电流软件配置为两段式驱动波形, 其示波器截屏见图8。另外五缸进口喷油器的驱动电压电流波形可以参见图7。国产喷油器高速电磁阀要求的驱动电流波形、峰值电流、维持电流的设定值与进口喷油器都有较大差别, 但在自主ECU的驱动下在同一台发动机上同时正常可靠工作, 共同完成燃油喷射, 实现发动机的稳定运转。
6.4 电流闭环验证
喷油器受种种因素 (如喷油器电磁阀长期工作后发热、制造误差等) 干扰可能导致其电流波形产生变化, 进而影响到喷油量和喷射定时的准确性。在匹配某型进口喷油器 (线圈电阻230mΩ, 线圈电感150μH) 电流闭环试验中, 在1#缸喷油器上串接了一个500mΩ的电阻模拟喷油器长期工作后线圈电阻的变化。第一个循环中, 使用默认波形控制参数驱动, 观测到电流峰值和维持电流都小于预设值。经过五个循环的软件自主调节后, 喷射脉宽在设定的合理值范围内占空比相应变大, 喷油器电流恢复到和其他五缸近似相同的预设值, 验证智能喷油器驱动模块具备快速自主抗干扰能力。以上试验仅验证软硬件架构相协调的智能喷油器驱动具备电流闭环自适应控制的能力, 具体的响应时间和控制精度依赖于电流闭环反馈算法的选择及控制参数的标定。
7 结论
(1) 基于TC1766单片机的体系架构, 构建了应用层和基础软件分层的软件体系架构。利用该款单片机强大的处理能力和丰富的外围模块, 提出了软硬件架构相协调的智能喷油器驱动方案, 详细分析了智能喷油器驱动方案的软件和硬件架构。该方案以基本的硬件驱动为基础, 利用软件资源支撑其智慧驱动能力, 产生驱动波形, 使喷油器驱动具备很高的灵活性和可配置性。
(2) 试验表明:智能驱动方案可以快速产生两段式/三段式复杂驱动波形, 满足新一代控制策略对单循环高达五次燃油多次喷射的要求, 并可以快速方便地匹配不同厂家的参数各异的喷油器。其架构设计赋予电流闭环能力, 能够保证各缸喷油器电流长期稳定一致, 确保发动机全寿命周期可靠工作。
参考文献
[1]郭修其, 周文华, 郑朝武.基于电路仿真的高压共轨电磁阀驱动电路设计[J].浙江大学学报:工学版, 2011, 45 (5) :901-906.Guo X Q, Zhou W H, Zheng C W.Design of solenoid valve driving circuit module for high pressure common rail system based on circuit simulation[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2011, 45 (5) :901-906.
[2]Mooney J D.Drive circuit modeling and analysis of electronically controlled fuel injectors for diesel engines[C]//SAE 2003-01-3361, 2003.
[3]Li J, Zhang K X.Solenoid valve driving module design for electronic diesel injection system[C]//SAE 2005-01-0035, 2005.
[4]王洪荣, 张幽彤, 王军, 等.高性能共轨柴油机电控单元的开发研究[J].北京理工大学学报, 2007, 27 (7) :580-584.Wang H R, Zhang Y T, Wang J, et al.Electronic control unit for high pressure common rail system diesel engines[J].Transactions of Beijing Institute of Technology, 2007, 27 (7) :580-584.
[5]李克, 苏万华, 郭树满.高速电磁阀分时驱动电路可靠性与一致性研究[J].内燃机工程, 2011, 32 (2) :33-38.Li K, Su W H, Guo S M.Reliability design and consistence study of high-speed solenoid valve drive circuit[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2011, 32 (2) :33-38.
[6]张震, 谢辉, 苏万华.高压共轨柴油机32位电控单元及其可靠性设计[J].内燃机学报, 2002, 20 (2) :95-98.Zhang Z, Xie H, Su W H.The 32bit electronically controlled unit of high-pressure common rail diesel engine and its reliability design[J].Transactions of CSICE, 2002, 20 (2) :95-98.
[7]郭树满, 陈礼勇, 刘二喜, 等.基于电流特征值的高压共轨柴油机喷油器驱动电路故障诊断及补偿处理系统设计[J].内燃机学报, 2011, 29 (5) :385-390.Guo S M, Chen L Y, Liu E X, et al.A fault diagnosis and compensation handling system design based on characteristic value of driving current for high-pressure common rail diesel injector driving circuit[J].Transactions of CSICE, 2011, 29 (5) :385-390.
[8]Infineon Company.TC1766_um_v1.1_2005_08[M].Munich:Infineon Technologies AG, 2005.
[9]谢辉, 王国祥, 张震, 等.共轨柴油机ECU的软件分层模型及实时多任务机制[J].内燃机学报, 2002, 20 (1) :31-35.Xie H, Wang G X, Zhang Z, et al.Layer structure model and real-time multitask mechanism for the ECU software of diesel engines with common rail systems[J].Transactions of CSICE, 2002, 20 (1) :31-35.
[10]张宏超, 谢辉, 周能辉, 等.基于软硬件分层架构的电空柴油机ECU的开发[C].潍坊:中国内燃机学会燃烧节能净化分会2009年学术年会论文集, 2009.
[11]于洋, 苏万华.多次喷射所组织的复合燃烧及其排放的影响因素[J].内燃机学报, 2010, 28 (5) :385-392.Yu Y, Su W H.Numerical of the effects on the emissions of compound combustion using multiple flexible injections[J].Transactions of CSICE, 2010, 28 (5) :385-392.
硬件架构 篇7
自主导航车辆是具有先进的传感技术, 不需要驾驶员可自主导航行走的车辆[1]。随着自主导航技术的发展及对自主导航车辆的需求, 自主导航车辆的应用越来越广, 在军用和民用方面都得到了大力的发展。在军用方面, 为了降低人员伤亡, 美国、以色列、英国、德国、日本和俄罗斯等国家都在积极研制各种军用无人自主车辆, 已有许多车型装备使用[2,3,4,5,6]。本文将介绍一种无人控制八轮车的电气架构设计, 使其能自适应各种复杂路况。
1 整车电气架构
该无人控制八轮车包含无人控制计算机, 整车控制器, 发动机ECU, 变速器TCU等控制单元来实现对整车
的控制。具体架构如图1所示。
其中无人控制器计算机主要用于车辆的运动学控制, 通过对外部环境进行感知, 规划行车路径。获得行车路径后, 无人控制计算机通过CAN网络将行车信息 (包括纵向加速度和转向半径等) 发送给整车控制器, 整车控制器根据这些信息进行相应的动力学控制, 同时整车控制器还完成一些车辆的一些基本管理, 如车辆的启停和电池电压检测等功能。
无人车的路径规划问题暂不在本文讨论, 本文将主要探讨基于以上架构的整车管理以及动力学控制的问题。
2 整车管理
钥匙开关打到ON挡, VCU和除主控之外的其它控制器完成上电。VCU通用功能模块开始工作, VCU完成必要的初始化工作, 同时实现低压电源监测、传感器信号处理、EMS熄火控制、CAN通讯、故障诊断等功能。除了完成上述基本功能, 整车控制器在满足一定条件的情况下, 无人控制计算机上电并开始工作, 主控与VCU正常通讯, 在满足一定条件的情况下, 无人控制功能模块使能, 实现发动机点火控制、发动机熄火控制、挡位选择控制、换挡控制、驻车制动控制、紧急制动控制、无人动力学控制和附件控制等功能。
为了清晰系统地描述本功能模块, 结合车辆系统实际运行状态, 将车辆工作模式划分为停机模式、驻车制动模式、怠速运转模式、行车模式、倒车模式、紧急制动模式和原地转向模式。其中, 行车模式包括加减速和转向, 倒车模式包括倒车加减速和转向。根据实际驾驶情况, 各模式之间存在如图2所示的转换关系。
各工作模式之间的切换需满足一定的条件。根据实际驾驶需求, 可能存在的模式切换包括:停机模式切换怠速运转模式、怠速运转模式切换驻车制动模式、驻车制动模式切换停机模式、怠速运转模式切换行车模式、行车模式切换怠速运转模式、怠速运转模式切换原地转向模式、原地转向模式切换怠速模式、怠速运转模式切换倒车模式、倒车模式切换怠速运转模式、行车模式切换紧急制动模式、紧急制动模式切换行车模式、原地转向模式切换紧急制动模式、紧急制动模式切换原地转向模式、倒车模式切换紧急制动模式、紧急制动模式切换倒车模式、紧急制动模式切换怠速运转模式、原地转向模式切换行车模式、原地转向模式切换倒车模式、行车模式切换原地转向模式、倒车模式切换原地转向模式、行车模式切换倒车模式、倒车模式切换行车模式。
3 动力学控制
无人控制八轮车能够在野外复杂的环境下基于自身的视觉、红外等传感器设备来感知环境, 并根据GPS等导航、定位系统提供的地形信息, 由决策系统自主地规划好路径并实现安全可靠行驶。其中, 动力学控制器的主要作用就是根据上层决策系统提供的路径信息 (这里主要是运动学控制器提供的车辆行驶需求的纵向车速和横摆角速度) 来实现车辆的稳定行驶。整体控制构架如图3所示。
由于该无人控制八轮车是一款差动转向轮式车辆, 且拥有独立的转向机构———机械液压差动转向装置, 通过该装置发动机将动力传送给车轮来实现转向;而车辆的直驶是发动机直接将动力通过传动系统传送给车轮。考虑到这种特点, 从整车的角度控制车辆的难度较大, 对车辆的控制被下放到对车轮的轮速进行控制。但是又由于机械液压差动转向装置将车辆的左右侧车轮相耦合, 使得两侧车轮又不能独立控制, 车轮控制系统将是一个双执行器系统。因此, 为了避免这两种系统的响应带宽相差太大, 影响动力学控制器的稳定性, 这里开发的动力学控制器将对车辆进行解耦, 分别对转向和直驶进行设计。
4 建模与仿真
根据上述整车管理构架和动力学控制构架, 搭建了整车管理simulink/stateflow模型和动力学控制算法simulink模型, 如图4、图5所示。
为了验证整车管理策略以及车辆运动学算法, 同时也建立了整车模型, 如图6所示。
仿真实验:这里主要验证所设计的动力学控制算法能够跟踪上主控要求的车辆行驶需求的纵向车速和横摆角速度。从仿真图中可以看出车辆控制算法能够很好地跟踪无人控制计算机给定的目标车速和目标横摆角速度。从而在软件仿真环节验证了整车动力学控制算法的正确性。
5 硬件在环测试
在整车控制的开发流程中我们采用了自动代码生成技术, 将通过仿真验证的控制策略模型与算法模型自动生成控制器可以直接烧录的代码。由于仿真并不能验证算法生成代码后运行的状况, 而且对于整个系统的CAN通信也无法经过仿真验证, 所以我们需要将算法生成代码, 烧录到控制器中进行硬件在环试验, 来验证在近似真实的情况下算法和通信的运行状况。对于硬件在环测试, 我们的基本思路是通过两个控制器 (分别为车辆模型控制器和整车控制模型控制器) 进行试验, 其中车辆模型控制器烧录整车模型, 整车控制模型控制器烧录整车控制器策略, 其中车辆模型控制器是用于模拟整车的运行控制器, 整车控制模型控制器中烧录的是真实的需要用于整车控制VCU的程序。两个控制器之间通过CAN通信来交换数据。试验台如图8所示。
其中上位机1通过INCA对车辆模型控制器进行标定观测, 上位机2通过CANape对整车控制模型控制器进行标定观测。
对整车管理策略调试:当整车控制器上电后进入无人模式, 随后控制器进入初始化, 初始化正常后发动机启动继电器闭合, 发动机启动, 如果发动机转速在800 r/min以上持续10 s, 则说明发动机启动成功, 发动机进入怠速模式。启动继电器吸合时间不超过30 s, 图9是硬件在环测试台上上位机2观测的数据, 在各种模式之间设立了不同的标志位 (flg) , 从图9中可以看出最后标志位为301, 即代表程序进入了怠速模式。从中可以看到发动机启动逻辑控制策略在整车控制器中代码运行正确。
图10表征的是整车动力学控制的测试, 无人控制计算机给整车控制器下达纵向速度指令, 在第10 s速度从10 km/h上升到20 km/h, 随后上升到40 km/h, 最后降到20 km/h, 从CANape观测得到的从整车模型控制器传来的车速信息反馈也能很好地跟随无人控制器给定的速度, 同时也可以看到发动机扭矩需求的变化, 与仿真的结果相似。
6 结语
本文较为详细地介绍了一种无人控制八轮车的架构设计及其控制策略与控制算法的开发, 并对其控制策略与控制算法进行了Simulink仿真, 最后通过硬件在环试验测试了控制策略与控制算法在代码级别上的正确性。通过这个流程明显缩短了控制算法的开发周期, 在工程实践中具有明显优势。
摘要：介绍了一种八轮车的架构设计, 同时运用基于模型的方法设计了整车的控制策略与运动学控制算法。通过对整车控制策略研究, 将其模块化, 使用MATLAB/Simukink/Stateflow建立仿真模型。运用自动代码生成技术生成可执行的代码, 并通过硬件在环试验验证了控制策略与控制算法的正确性。
关键词：架构设计,MATLAB,Simulink,Stateflow,硬件在环
参考文献
[1]胡晖.六轮独立驱动无人车下位机控制系统研究[D].上海:上海交通大学, 2013.
[2]张韬懿, 王田苗, 吴耀, 等.全地形无人车的设计与实现[J].机器人, 2013, 35 (6) :657-664.
[3]鲁京立, 卜春光, 高英丽.野外地面移动机器人系统设计与实现[J].仪器仪表学报, 2009, 30 (10) :293-297.
[4]江水明.六轮自主移动机器人动力学建模与控制的研究[D].南京:南京理工大学, 2005.
[5]杨春.基于变形车轮的移动机构研究[D].北京:北京交通大学, 2010.
硬件架构 篇8
随着针对密码系统攻击方法的层出不穷,信息安全越来越成为当前芯片设计中相当重要的一个方面。传统的密码破解办法主要以穷举的数学手段为主,该方法过于繁琐且效率低下。 近年来,一种被称为旁道攻击［1］的攻击方法被频繁地采用。旁道攻击就是通过分析硬件电路在运算加密算法过程中泄露出来的时间、电磁辐射、功耗等信息,来破译加密算法密钥的一种攻击方法。其中,通过分析功耗信息来达到破译密钥的攻击方法被称为功耗分析攻击,按照分析技术不同,又可以分为简单功耗分析SPA( Simple Power Analysis) 和差分功耗分析DPA( Differ- ential Power Analysis) 两种类型。
由Kocher和Jaffe在1998年提出的DPA技术［2］,相比于SPA而言,无需知道加密算法实现的技术细节,是一种十分简单有效的统计学分析方法。该技术可以成功地破译诸如DES等加密算法的密钥,这无疑对市场上各种类型的加密处理器和电路构成了巨大的威胁。如今,已经提出了不少针对DPA的防御方案。在算法层面,主要采用随机过程中断［3］或者对运算中间数据进行掩码［4，5］等方法,这些方法都有较强的平台依赖性,同时也要消耗大量的执行时间。在电路层面,可以通过采用特定逻辑单元来恒定硬件单元功耗的方法［6 － 8］或者可以通过采用随机延迟插入来随机硬件单元功耗的方法达到抗DPA的目的。 在基于随机延迟插入的方法中,或在组合电路的各个输入端口随机插入延时［9，10］,或随机插入指令［11］,但是都存在硬件设计的复杂性较大的缺点。所以,设计一种能够防止DPA攻击的硬件电路结构具有非常重要的意义。
1针对嵌入式CPU的DPA原理
DPA技术的基本原理和思想是: 攻击者通过记录多组硬件电路的功耗曲线,再利用统计学的方法对所收集到的功耗曲线进行分析与处理,最后达到破译加密算法的密钥等敏感数据的目的。对于嵌入式CPU,同样面临DPA攻击的风险,当处理器在运行加解密算法时,源程序首先会通过编译器生成相应的汇编代码,也就是一连串汇编指令的集合。当CPU在执行汇编指令时,会根据不同的指令类型以及在指令类型相同操作数不同的情况,产生相应的功耗,攻击者自然也可以通过这些功耗信息得到加解密算法的密钥。针对嵌入式CPU的DPA攻击步骤如下:
1) 对于一个加密算法程序,存储密钥的数组中数据保持不变,存储明文的数组以n组不同的数据赋值,当CPU执行加密程序时,源程序被编译为汇编代码,整个汇编代码主要分为数据段、CPU状态初始化程序段、中断处理程序段和主体程序段,数据段的内容通过查表的方式传入主体程序。在每次执行加密程序的过程中,只有明文数据不同,因此每次汇编产生的汇编代码也只有数据段是不同的,CPU状态初始化程序段、中断处理程序段和主体程序段保持不变,也就是说CPU执行的指令流是完全一样的,区别仅限于每条指令的操作数。而操作数的不同,就会造成处理器内部的逻辑门和寄存器发生不同的反转情况,产生相应的功耗。记录CPU每一次执行加密算法程序的功耗曲线Si[j],其中i表示不同明文数据的组号,j表示在对第i组明文进行加密操作过程中,每个采样点所表示的时间。这样,在完成n组明文的加密运算后,就能得到n组相应的功耗曲线Si[j],1≤ i ≤ n 。
2) 选择一个D函数,该函数的自变量为明文和猜测的密钥,应变量为加密算法中间过程的一个临时变量,该临时变量是一位的二进制数0或者1。将n组明文和猜测的密钥分别代入所选择的D函数,依据函数计算的结果为0还是为1可以将n组功耗曲线分成两个集合。
3) 分别对两个集合中的功耗曲线取算数平均:
等式中,| S0| 和| S1| 分别表示集合S0和S1中的元素个数,即满足以下等式:
将两个算术平均值相减:
当n取得足够大,且密钥猜测正确,那么,两个集合的平均功耗在对应的功耗点时刻,即计算出D函数值的时刻,会有明显的差异,表现在功耗曲线上就是 Δ[j]会出现一个尖峰。换句话说,如果 Δ[j]没有出现尖峰,则说明密钥猜测错误。
2抗DPA的嵌入式CPU硬件结构设计
如今,通用处理器都采用了流水线的设计架构,根据MIPS的经典5级流水线架构,一条指令主要包含了五个处理步骤: 1) 读取指令( IF) ; 2) 指令译码的同时读取寄存器( ID) ; 3) 执行指令操作( EX) ; 4) 读取操作数( MEM) ; 5) 回写寄存器( WB) 。 在不考虑冒险的情况下,多条指令的不同处理步骤可以相互重叠,这样就可以提高处理器的处理速度。对于通用的嵌入式CPU,传统的抗DPA方法是采用随机插入指令的方式,设计者需要设计一个专门的模块,负责产生随机指令,然后按照一定的时间间隔,将随机指令灌入处理器的流水线中,在随机指令执行完毕之后还要保证其不改变处理器的状态,这就给设计者带来了一定的设计复杂性。本文针对随机插入指令的方法,提出一种新的抗DPA的嵌入式CPU硬件架构,该架构通过堵塞处理器的IF级,使其停顿若干个周期,导致程序在特定时间点的功耗信息无法对齐,从而避免了利用统计方法进行功耗分析的可能性,达到抗DPA的目的。
本文提出的基于随机延时的抗DPA架构在硬件实现上主要包含了一组控制寄存器以及一些相应的控制逻辑。控制寄存器由1 bit的使能位rbi_en和4 bit的掩码位mask[3: 0]组成。 使能位的作用是控制处理器在运行程序时打开相应的控制逻辑,完成随机延时插入的功能。掩码位的作用是限制插入延时能够随机的范围,假设4 bit掩码位的值是4,即0100,那么插入的延时可以在0到4之间随机产生。控制寄存器的值都需要在程序运行之前进行软件初始化,即通过存储指令向控制寄存器所在的地址写入初始值。除了完成寄存器初始化之外,用户还需要为CPU提供一系列随机数,CPU每次插入随机延时的周期数就是由该随机数和掩码位共同决定,实现方法是通过将掩码位和随机数中的低四位相与,得到的结果保存在一组寄存器中。 每当CPU在IF级读取一条新的指令时,插入随机延时的周期数是否为0就决定了该条指令是否有效,如果不为0就表示该指令无效,那么指令就会堵在CPU的IF级而不会被继续发送到ID级。之后,负责记录随机延时周期数的计数寄存器开始随着时钟递减,直到减至0,表示该指令有效,可以被发送到ID级,IF级则继续读取新的指令,计数寄存器重置新值。
如图1所示,一条指令从处理器的IF级进入ID级,流经EX和MEM级之后到达WB级,最后完成指令的退休。处理器在IF级完成指令的提取,但是,通过上述的控制逻辑,可以控制该指令在若干个周期后有效,即相当于使该指令停顿了若干个周期。当停顿解除后,指令从ID级进入EX级,根据指令类型的不同,会分别流入执行单元的不同处理模块,进一步通过向那些空闲的处理模块灌入随机数,就可以随机化EX级的功耗,从而也达到了防止差分功耗分析的目的。
3平台介绍
基于本文技术的芯片已经完成了物理设计并投片,但由于投片、封装有一个较长的周期,所以目前的结果是基于SYNPO- SYS公司的POWERCOMPILER做的功耗仿真。经过前期的实验,该工具的仿真误差在20% 以内,对于差分功耗分析与实际差别不大。本文所采用的实验平台如图2所示,整个差分功耗分析主要包含以下三个步骤:
1) 利用综合工具DC将已经设计好的RTL代码综合成门级电路,以便在功耗仿真过程中能够模拟更加真实的环境。
2) 以综合生成的网表文件代替RTL代码文件,利用vcs仿真工具运行加密程序得到电平波形文件,该波形文件记录了网表文件中,各个门输入输出节点的电平反转情况,而电平反转情况正是反应了每个逻辑门产生的功耗。所以,利用功耗仿真工具Prime Power,即可通过电平波形文件和网表文件得到记录有加密算法程序运行时的功耗信息的功耗波形文件。
3) 将前面得到的功耗波形文件转换成易于实现数据处理的文本格式之后,通过编写Perl脚本,对明文数据不同情况下产生的功耗信息进行分组,求平均以及取差,从而完成加密算法的DPA分析。
4实验与分析
以CSKY嵌入式处理器CK802作为攻击对象进行实验分析,该处理器的时钟频率是100 MHz。加密算法程序采用DES加密算法,该算法的核心是对被分成长度相等的左右两部分明文进行16轮完全相同的运算,我们称之为f函数,选取400组随机产生的明文数据作为样本,以进行第一次f函数运算过程中,8个S盒中第一个的输出结果的最低位作为功耗曲线分组的判决条件,来猜测正确的6位子密钥,功耗信息的采样时间间隔为18 ns,得到如图3所示的差分功耗曲线。以采用随机指令插入的抗DPA架构的嵌入式处理器作为攻击对象进行对照实验,试验的其他条件保持不变,猜测正确的6位子密钥得到如图4所示的差分功耗曲线。最后,以采用了本文所述的抗DPA硬件架构的嵌入式处理器作为攻击对象再次进行实验,得到如图5所示的差分功耗曲线。
从图3的差分功耗波形中可以明显看出16轮f函数的运算操作,并且在第一轮f函数运算过程中有明显尖峰出现。在实际的DPA攻击过程中,因为在8个S盒的32位输出值中,每一个S盒的4位输出值分别受到6位子密钥的影响,所以,每次只需要针对一个S盒的输出值,做2的6次方,即64次穷举,就可以破译出相应的6位子密钥,如此进行8次就可以得到完整的48位子密钥,进而反推出正真的64位密钥值。
采用了抗DPA硬件架构之后,使得攻击者即使猜中了密钥,但是图4以及图5所示的差分功耗曲线也都没有产生尖峰, 导致攻击者产生误判。由此可见,基于随机延时插入的抗DPA架构具有不亚于基于随机指令插入架构的抗DPA攻击的特性。
5结语
本文提出了一种通过向前级流水级中插入随机的等待延时,在时间轴上对每一次程序运行的功耗轨迹进行干扰,从而达到抗DPA攻击目的的硬件架构。该架构具有良好的抗差分功耗分析特性,同时减小了硬件电路的设计复杂性,在嵌入式CPU的DPA防护上具有积极的意义。
参考文献
[1]Anderson R,Kuhn M.Low cost attacks on tamper resistant devices[M]//Security Protocols.Springer Berlin Heidelberg,1998:125-136.
[2]Kocher P,Jaffe J,Jun B.Differential power analysis[C]//Advances in Cryptology—CRYPTO’99.Springer Berlin Heidelberg,1999:388-397.
[3]Daemen J,Rijmen V.Resistance against implementation attacks:A comparative study of the AES proposals[C]//The Second AES Candidate Conference,1999:122-132.
[4]Hasan M A.Power analysis attacks and algorithmic approaches to their countermeasures for Koblitz curve cryptosystems[C]//Cryptographic Hardware and Embedded Systems—CHES 2000.Springer Berlin Heidelberg,2000:93-108.
[5]Yoshikawa M,Sugiyama M.Multi-rounds masking method against DPA attacks[C]//Information Reuse and Integration(IRI),2011 IEEE International Conference on.IEEE,2011:100-103.
[6]Jun H,Xiaoyang Z,Ting’ao T.VLSI design of anti-attack DES circuits[J].Chinese Journal of Semiconductors,2005,26(8):1646.
[7]Zhang Y,Wang G,Ma Y,et al.A Comprehensive Design Method Based on WDDL and Dynamic Cryptosystem to Resist DPA Attack[C]//Intelligence Science and Information Engineering(ISIE),2011 International Conference on.IEEE,2011:333-336.
[8]Shinu P,Kumar P D.Design of Delay Based Dual Rail Pre-charge Logic to reduce DPA attacks[C]//Computing,Electronics and Electrical Technologies(ICCEET),2012 International Conference on.IEEE,2012:552-556.
[9]Lu Y,O’Neill M P,Mc Canny J V.FPGA implementation and analysis of random delay insertion countermeasure against DPA[C]//ICECE Technology,2008.FPT 2008.International Conference on.IEEE,2008:201-208.
[10]Li R,Cui X X,Wei W,et al.A combined countermeasure against DPA and implementation on DES[C]//Electron Devices and Solid-State Circuits(EDSSC),2013 IEEE International Conference of.IEEE,2013:1-2.