一種基于VxWorks的電磁閥控制系統設計*

張　星　劉　巍　張建國　付道俊

(武漢第二船舶設計研究所　武漢　430064)

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一種基于VxWorks的電磁閥控制系統設計*

張星劉巍張建國付道俊

(武漢第二船舶設計研究所武漢430064)

電磁閥廣泛應用于各控制領域，隨著對控制要求的不斷提高，實時、準確、可靠的閥控系統是一大難題。論文提出一種基于VxWorks的閥件控制系統，詳細介紹了其軟硬件設計，并驗證了其高性能。

電磁閥;控制系統;VxWorks

Class NumberTP311

1　引言

VxWorks是美國Wind River公司開發的一種嵌入式實時操作系統[1～2]。憑借其良好的持續發展能力、高性能系統內核、高效的任務管理、靈活的任務通訊機制、友好的集成開發環境[6～9]等優點成為實時操作系統中較為優秀的操作系統之一，被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天、船舶及工業控制等高精尖技術以及實時性要求極高的領域中。

電磁閥適用于各種液體、氣體等管路的自動控制，廣泛應用于軍工、航天、船舶重工、核工業、石化等領域，是極其關鍵的執行機件，其控制系統的實時性、準確性、可靠性影響整個系統的性能[5]。

2　硬件設計

本閥件控制系統硬件組成如圖1，主要包括計算機單元、執行單元、閥件單元以及外部采集輸入。

圖1　閥件控制系統硬件組成圖

計算機單元是本系統的控制核心，主要功能是初始化各接口及加載設備驅動，協調多任務調度，為應用程序提供運行環境。其組成包括CPU模塊、CAN總線接口模塊、人機操控模塊和數據采集模塊等。CPU模塊負責程序加載、任務調度，運行VxWorks5.5.1操作系統，應用軟件運行其上；CAN總線接口模塊負責與執行單元進行CAN通信[10]，通過執行單元控制閥件單元執行開關動作并獲取閥件單元開關狀態；人機操控模塊主要負責執行輸入，給用戶手動控制閥件單元提供入口；數據采集模塊用來采集外部輸入，依外部采集輸入以及閥件單元狀態輸入作用閥件控制的判據。

執行單元是本系統的執行機構，它為電磁閥提供電壓，通過CAN總線接收計算機單元的控制命令以控制閥件開關動作，并且將檢測的閥件狀態通過CAN總線反饋至計算機單元。該執行單元優勢在于群控功能和讀閥件狀態功能。群控可以同時輸出多個閥件的開關動作，大大提升了控制效率；讀取閥件狀態功能可通過總線命令讀取各CAN通道對應電磁閥的電流值，在電流異常時可在計算機單元實現的界面中提示報警，如此提升了控制的安全可靠性。

閥件單元實體為電磁閥，受系統控制開關以滿足液體或氣體等管路的控制要求；采集輸入實體可能為外部外部壓力、指示開關狀態等，用以作為自動控制的判據。

3　系統軟件設計

本系統應用程序基于VxWorks實時操作系統實現，圖形界面基于WindMl實現[3～4，6]。由于操作系統版本是VxWorks5.5.1，采用Tornad集成開發環境，使用C/C++語言實現應用軟件編程。

系統軟件可分為初始化模塊、數據采集模塊、流程控制模塊、界面顯示模塊和數據存儲模塊，其軟件流程圖如圖2所示。系統啟動后，依次執行初始化、啟動定時器、數據采集、流程控制、數據存儲、界面顯示任務，定時器到期后重新啟動并設置定時器，循環執行數據采集、流程控制、數據存儲和界面顯示模塊。

圖2　軟件流程圖

首先進行初始化，初始化緩沖區、圖形界面、CAN驅動、數據采集模塊驅動、人機操控模塊驅動。初始化完畢后，啟動定時器，設置程序運行周期。初始化模塊流程圖如圖3。

其后是數據采集模塊，包括CAN采集信息、外部輸入采集信息、人機操控信息。CAN采集信息主要是接收來自執行單元的閥件開關狀態；外部輸入采集信息接收采集輸入的狀態，包括壓力等信息，針對不同類型數據采用不同濾波去抖方式，以增強系統的抗干擾能力；人機操控信息接收來自人機操控模塊的外部人為按鍵輸入。數據采集模塊采用緩沖區方式實現，將采集的各類信息首先緩存至緩沖區，然后不同的任務函數觸發讀取緩沖區內容，以防止數據缺失，確保系統的安全性。

圖3　初始化流程圖

圖4　數據采集模塊流程圖

流程控制模塊采用狀態機控制實現，根據人機操控輸入進入不同模式和不同流程，執行不同的控制任務，以完成閥件系統的控制要求。

數據存儲模塊用來記錄流程中每一周期時刻的閥件狀態及外部采集輸入等信息，以便用戶回溯。該數據存儲實現文件的自動生成及命名。通過讀取時鐘，將系統BIOS時間信息作為存儲文件的文件名，如“20160712160826.dat”，表示2016年7月12日16時08分26秒開始存儲的數據。這樣不僅自動生成存儲文件，而且易于讓用戶判斷數據存儲的時間，提供極大便利。

界面顯示模塊基于WindMl實現，主背景使用貼圖方式實現，在背景圖基礎上實現各種控件，以滿足顯示需求；在控制流程中若有閥件異常，界面提示框會根據異常情況顯示不同提示信息，并著色醒目提示。

4　結語

本閥件控制系統通過采用VxWorks操作系統實現，構建基于計算機單元的高性能計算控制平臺，以滿足系統的實時性、準確性要求。系統采用模塊化設計，可擴展性強，同時也有較好的可靠性。本文將實現的閥件控制系統在實際應用環境中測試驗證，試驗表明該系統控制效率高，具有很強的實時性、可靠性和準確性，完全滿足設計使用要求。

[1]王學龍.嵌入式VxWorks系統開發與應用[M].北京:人民郵電出版社,2003：1-8.

[2]孔祥營,柏桂枝.嵌入式實時操作系統VxWorks及其開發環境Tornado[M].北京:中國電力出版社,2001：1-5.

[3]Wind River System Inc.VxWorks Programmer’s Guide[M].1999:1-18.

[4]Wind River System Inc.BSP Developer’s Kit for VxWorks[M].USA,1999：1-2.

[5]胡志強.油、氣工業對閥門市場的影響[J].通用機械,2005(2):12-15.

[6]陳養平.基于VxWorks的實時多任務軟件設計[J].微電子學與計算機,2002(10)：10-12.

[7]程敬原,宋克柱,安琪.VxWorks下基于緩沖隊列的全雙工網絡通訊[J].計算機工程與應用,2004,12(4):15-17.

[8]彭華,沈為群,宋子善.一種基于VxWorks的飛行仿真實時管理系統[J].系統仿真學報,2003,17(6):4-6.

[9]張長全.VxWorks操作系統在測控設備中的應用[J].裝備指揮技術學院學報,2006(4):18-121.

[10]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002：1-5.

Design of A Solenoid Valve Control System Based on VxWorks

ZHANG XingLIU WeiZHANG JianguoFU Daojun

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan430064)

Solenoid valves are widely used in various control fields.As the control demand enhances,designing a solenoid valve control system with real-timing,accuracy and reliability becomes a key question.This paper proposes a solenoid valve control system based on VxWorks,describes its hardware and software design in detail.The result of tests shows that the control system is of high performance.

solenoid valve,control system,VxWorks

2016年3月10日,

2016年4月28日

張星,男,博士,工程師,研究方向：自動控制及計算機體系結構。劉巍,男,工程師,研究方向：艦船電子武備技術。張建國,男,博士,工程師,研究方向：艦船電磁兼容技術與試驗。付道俊,男,碩士,高級工程師,研究方向：艦船電子武備技術。

TP311DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.037