一種嵌入式總線運動控制器的實時系統(tǒng)設(shè)計

林立明 于 東 胡 毅 秦承剛 王志成 陸小虎

1.中國科學(xué)院研究生院，北京，100049

2.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽，110168

3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽，110168

0 引言

目前，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)系列的主要產(chǎn)品之一。PC數(shù)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高，但由于PC具有面向桌面應(yīng)用、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較大等特點，從而導(dǎo)致基于PC的數(shù)控系統(tǒng)成本居高不下。采用ARM（advanced RISC machines）處理器為核心部件的硬件平臺和開源實時Linux操作系統(tǒng)開發(fā)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且軟件資源豐富，可靠性與可重構(gòu)性較強，極具市場競爭力［1-2］。以32位ARM芯片和高速大容量FPGA（field-programmable gate array）為核心的嵌入式平臺構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，能夠以低的成本實現(xiàn)接近PC平臺的性能，已成為中低端數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一。

國內(nèi)外針對FPGA在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究主要包括：①用FPGA替代固定邏輯器件的組合，以減小硬件體積，降低硬件復(fù)雜度［3］；②用FPGA對功能較弱的微控制器進(jìn)行端口擴展，如脈沖寬度調(diào)制接口、編碼器接口、鍵盤接口等［4-5］；③對數(shù)控系統(tǒng)的軸數(shù)進(jìn)行擴展，如將單軸擴展為三軸［5-6］等。這樣的數(shù)控系統(tǒng)雖因引入FPGA而使功能有所增強，卻沒有充分挖掘FPGA的應(yīng)用潛力，仍然具有分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）一對一傳輸、模擬信號控制等特點，技術(shù)固有的封閉性使其功能和性能的發(fā)揮受到限制，難以和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system，F(xiàn)CS）相提并論。

傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，運動控制器與伺服驅(qū)動器間的接口通常采用模擬的方式，該方式存在以下問題：①運動控制器需采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分辨率低；②一個模擬接口只能連接一個驅(qū)動器，系統(tǒng)缺乏柔性；③模擬接口只能傳送一種信息且只能單向傳送，信息量有限；④模擬接口的連接距離有限，且連接線很多，難于分布式控制［7］。現(xiàn)場總線采用全數(shù)字通信，支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸，線纜大大簡化，從根本上突破了傳統(tǒng)點對點式的模擬信號或數(shù)／模信號控制的局限性，同時具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強等優(yōu)點，能夠滿足高速高精數(shù)控系統(tǒng)的需求［8］。

針對上述問題，本文采用基于ARM和FPGA的設(shè)計方案，在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中引入SSB-III現(xiàn)場總線，并給出了總線式運動控制器性能的評測方法。

1 數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線通信

1.1 基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)

圖1 基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)控系統(tǒng)中的主要部件包括：由人機接口單元（human machine unit，HMU）及機床控制單元（machine control unit，MCU）構(gòu)成的數(shù)字控制器、伺服驅(qū)動器、主軸設(shè)備、IO設(shè)備。現(xiàn)場總線的主設(shè)備以板卡的形式插入數(shù)控裝置，從設(shè)備一般直接集成到伺服驅(qū)動器的硬件中。數(shù)控裝置的命令通過現(xiàn)場總線發(fā)給指定的伺服或IO；伺服或IO的反饋也通過現(xiàn)場總線傳給數(shù)控裝置。總線系統(tǒng)中允許有一個主設(shè)備（主站）及多個從設(shè)備，如從站1、從站2等。主設(shè)備與各從設(shè)備間采用一主多從、問答方式進(jìn)行通信，通信時序由主設(shè)備進(jìn)行控制［9-10］。

1.2 現(xiàn)場總線通信模型

目前，現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)基本都以“開放系統(tǒng)互連模型”為參考模型。為適應(yīng)控制系統(tǒng)中信息長度短、實時性要求高的特點，現(xiàn)場總線沒有采用網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層和表示層，而是將這4層的必要功能設(shè)置在應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層中，以降低層間操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所帶來的時間開銷。因此，典型的基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線協(xié)議一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，如表1所示［11］。

表1 基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線模型

SSB-III現(xiàn)場總線通信模型如圖2所示。主站為CNC，從站為多個伺服驅(qū)動器、主軸驅(qū)動器或I／O板卡，主從站之間使用問答的方式進(jìn)行通信，主站從從站的應(yīng)答協(xié)議幀中獲取通信狀態(tài)信息（數(shù)據(jù)收發(fā)是否錯誤等）。站點的連接采用菊花鏈拓樸結(jié)構(gòu)，每個從站有兩個通信接口，分別向前、向后連接到別的從站。每個從站除了作為通信主體外，還采用交換技術(shù)對其他站的信息進(jìn)行實時轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 SSB－III現(xiàn)場總線通信模型

2 運動控制器硬件設(shè)計

2.1 運動控制器硬件結(jié)構(gòu)

運動控制器由OMAP3530主控板和SSBIII總線控制板構(gòu)成，如圖3a所示。圖3b所示為兩塊電路板的機械組裝及通信接口連接方式。

2.2 OMAP3530平臺

OMAP3530平臺由核心板和擴展板構(gòu)成，核心板定義了一個OMAP的最小系統(tǒng)，主要包括主處理器 OMAP3530、多制層封裝芯片（包括DDR、NAND）、電源管理芯片和 Mini USB-AB連接器。OMAP3530應(yīng)用處理器具有異構(gòu)雙核結(jié)構(gòu)，包括：頻率600MHz的ARM Cortex-A8 Core，可用于運行數(shù)控系統(tǒng)用RTOS及其上的應(yīng)用軟件；430MHz的TMS320C64x＋ DSP Core，可用于數(shù)控系統(tǒng)中運算需求量大的插補計算等。

圖3 基于ARM和FPGA的運動控制器硬件結(jié)構(gòu)及連接方式

2.3 GPMC通信接口

通用存儲控制器（general-purpose memory controller，GPMC）是一個16位的外部存儲控制器，可為 NOR flash、NAND flash、pSRAM 等傳統(tǒng)存儲器件提供讀寫接口。如圖4所示，GPMC包括6個功能模塊：①L3互連端口接口；②地址譯碼器、GPMC配置寄存器、片選配置寄存器；③訪問引擎；④預(yù)取和寫置入引擎；⑤糾錯代碼引擎；⑥外部存儲器端口接口。

2.4 SSB－III總線控制板

SSB-III總線控制板功能模塊劃分如圖5a所示，分為3個邏輯功能塊：通信外圍電路、通信專用芯片和GPMC通信接口。通信外圍電路主要由兩個100兆的以太網(wǎng)物理層芯片構(gòu)成。由這兩個芯片引出兩個接口（RJ45），一個接口連到前繼站點，另一個連接到后繼站點，從而構(gòu)成菊花鏈的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。GPMC接口用于和上位機OMAP3530平臺通信。

圖4 GPMC原理框圖

通信專用芯片采用FPGA實現(xiàn)SSB-III總線的鏈路層功能，其功能如圖5b所示。整個鏈路層可以劃分為3個邏輯部分：物理層接口（MII interface）、鏈路層邏輯功能和用戶層接口。物理層和用戶層接口主要實現(xiàn)物理層和用戶層信息的接入。鏈路層邏輯功能實現(xiàn)現(xiàn)場總線鏈路層的全部功能：實時數(shù)據(jù)交換、主／從站調(diào)度、數(shù)據(jù)幀的編解碼、數(shù)據(jù)存儲組織等［12］。

圖5 SSB－III總線控制板、數(shù)據(jù)鏈路層功能框圖

3 運動控制器軟件設(shè)計

3.1 基于Xenomai的實時操作系統(tǒng)

Xenomai采用雙內(nèi)核機制對Linux內(nèi)核進(jìn)行強實時擴展。在雙內(nèi)核技術(shù)下存在一個支持強實時的微內(nèi)核，實時內(nèi)核與Linux內(nèi)核共同運行于硬件平臺。與其他實時性改造項目相比，Xenomai更關(guān)注可擴展、輕便和可維護(hù)性，代碼的移植工作量較小，尤其適合嵌入式系統(tǒng)的改造與移植。

Xenomai基于 Adeos（adaptive domain environment for operating system）實現(xiàn)雙內(nèi)核機制，如圖6所示。Adeos的主要功能包括：中斷管道機制（I-Pipe）、域調(diào)度模塊功能和域管理模塊功能。Linux內(nèi)核和Xenomai分別作為Adeos中的一個域存在。Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)非實時任務(wù)的調(diào)度，Xenomai采用精度更高的定時中斷來調(diào)度實時任務(wù)，實現(xiàn)更小的調(diào)度延時。Xenomai域的優(yōu)先級高于Linux域，每當(dāng)中斷到來，Adeos會先將中斷交給Xenomai處理，如果Xenomai沒有需要處理的中斷，才會將中斷交給Linux內(nèi)核處理，保證了Xenomai的中斷響應(yīng)和任務(wù)調(diào)度的實時性［13］。

圖6 Linux＋Xenomai架構(gòu)

3.2 SSB－III總線控制板驅(qū)動程序設(shè)計

SSB-III總線控制板采用GPMC接口與OMAP3530平臺進(jìn)行通信，設(shè)置GPMC接口工作方式為地址和數(shù)據(jù)非復(fù)用、同步讀寫。使用到的信號包括地址線gpmc＿a［10∶1］，數(shù)據(jù)線gpmc＿d［15∶0］，時鐘線gpmc＿clk，并且對控制信號做了精簡，只用到nCE、nOE、nWE［14］。

SSB-III總線控制板，驅(qū)動程序包括三部分：模塊初始化、中斷服務(wù)函數(shù)、模塊退出處理。各部分的流程如圖7、圖8所示。

4 運動控制器性能評估

圖7 模塊初始化流程

圖8 中斷服務(wù)流程和模塊清除處理流程

數(shù)控系統(tǒng)的高速高精運動控制對總線的要求主要體現(xiàn)在以下幾方面［15］：①實時循環(huán)周期一般在1～10ms之間；②總線傳輸?shù)拇_定性（控制器的控制指令及伺服系統(tǒng)的反饋均有確定的收發(fā)時間）；③執(zhí)行命令與反饋的同步性（高精度多軸控制系統(tǒng)要求各軸嚴(yán)格同步運行，即各個控制軸要同時執(zhí)行收到的控制指令，將同一時刻的反饋數(shù)據(jù)傳輸給控制器）；④支持I／O設(shè)備信號的傳遞；⑤支持非周期的數(shù)據(jù)。

針對上述要求，論文在基于ARM和FPGA的總線式運動控制器上，對影響總線傳輸實時性的中斷響應(yīng)延遲和影響總線傳輸確定性的中斷抖動兩個性能參數(shù)，開展了相關(guān)實驗測試工作。

4.1 實驗環(huán)境搭建

整套實驗裝置由OMAP3530主控板、SSB-III總線控制板、SSB-III總線伺服驅(qū)動單元、伺服電機、供電和通信電纜、鍵盤、液晶顯示器等輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。

4.2 中斷響應(yīng)延遲

SSB-III現(xiàn)場總線傳輸機制中，當(dāng)鏈路層的數(shù)據(jù)包到達(dá)應(yīng)用層時將觸發(fā)一個中斷事件，應(yīng)用層響應(yīng)中斷后進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后將新的數(shù)據(jù)包發(fā)送給鏈路層。這部分時間開銷包括設(shè)備中斷響應(yīng)延遲和應(yīng)用層開銷，是SSB-III現(xiàn)場總線的一個重要性能參數(shù)。如圖9所示，Tm為主設(shè)備中斷響應(yīng)及應(yīng)用層開銷，Ts為從設(shè)備中斷響應(yīng)及應(yīng)用層開銷［11］。

圖9 設(shè)備中斷響應(yīng)及應(yīng)用層開銷

中斷響應(yīng)延遲為從硬件產(chǎn)生中斷，到進(jìn)入中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行第一條語句的時間，這部分時間包含在圖9中的Tm（Ts）中。

本文采用OMAP3530處理器自身的定時器來測量中斷延遲。測試程序包括模塊初始化函數(shù)、中斷函數(shù)、模塊清除函數(shù)。模塊初始化函數(shù)負(fù)責(zé)申請定時器（timer＿ptr）并予以初始化、向系統(tǒng)申請定時器中斷并綁定Linux／Xenomai中斷服務(wù)函數(shù)；中斷函數(shù)用于系統(tǒng)響應(yīng)中斷時獲取定時器的數(shù)值；模塊清除函數(shù)負(fù)責(zé)定時器、中斷號等資源的釋放，并將測試模塊從內(nèi)核中清除。

記gt＿rate為定時器的頻率，則定時器的初始值start＿tick 為

從start＿tick開始經(jīng)過ns后定時器將產(chǎn)生一個溢出中斷，此時定時器會自動重載start＿tick，然后繼續(xù)計時。系統(tǒng)響應(yīng)該中斷后進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)函數(shù)，此時調(diào)用針對OMAP平臺的內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)，獲得定時器當(dāng)前的數(shù)值end＿tick：

將start＿tick、end＿tick、gt＿rate 代 入 即 可 獲 得 中斷響應(yīng)延遲intr＿delay：

測得中斷響應(yīng)延遲如圖10a所示，典型的中斷響應(yīng)延遲為36.769μs，最大抖動（最大延遲與最小延遲時間之差）為52.462μs。

現(xiàn)在考慮修改測試程序，將定時器中斷注冊為Xenomai內(nèi)核下的實時中斷。測得數(shù)據(jù)如圖10b所示，典型中斷響應(yīng)延遲為2.4615μs，最大抖動為3μs，可以看到采用了實時中斷之后，系統(tǒng)性能有了大幅度的提升。

圖10 基于Linux和基于Xenomai的中斷響應(yīng)延遲

4.3 中斷周期抖動

抖動是實時系統(tǒng)中的一個重要性能指標(biāo)，指的是同樣的過程每次的完成時間或響應(yīng)時間之間的 偏 差。SSB-III現(xiàn) 場 總 線 支 持 31.25μs、62.5μs、125μs、250μs、500μs、1ms、2ms多種通信周期，本文選取2ms作為通信周期，實驗測得的Xenomai實時中斷周期數(shù)據(jù)如圖11所示，最大偏差（實際周期與理論周期2ms的最大偏離值）為34.615μs，即周期抖動最大幅度為1.73%，可見總線周期具有很好的確定性。

圖11 中斷周期抖動

5 結(jié)論

（1）使用OMAP3530的GPMC作為主控平臺和總線控制板的通信接口，采用FPGA實現(xiàn)現(xiàn)場總線功能，使系統(tǒng)具有良好的可擴展性。

（2）測試了系統(tǒng)中斷響應(yīng)延遲，并通過對比實驗證明了Linux＋Xenomai實時改造方案的有效性。

（3）對中斷響應(yīng)延遲及中斷周期抖動的測量與分析證明，本文所設(shè)計的基于ARM和FPGA的運動控制器能滿足數(shù)控系統(tǒng)和現(xiàn)場總線性能需求。

［1］吳文君，顧琳，徐笠云，等.基于 ARM 及嵌入式Linux的線切割數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)［J］.制造業(yè)自動化，2009，31（2）：75-78.Wu Wenjun，Gu Lin，Xu Liyun，et al.Development of a WEDM-CNC System Based on ARM and Embedded Linux［J］.Manufacturing Automation，2009，31（2）：75-78.

［2］范克東，肖世德，龔邦明.基于ARM微處理器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)［J］.制造技術(shù)與機床，2006（1）：15-17.Fan Kedong，Xiao Shide，Gong Bangming.The Embedded CNC Based on the ARM Processor［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2006（1）：15-17.

［3］費繼友，周茉.基于ARM＋FPGA的嵌入式數(shù)控裝置設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機床，2010（12）：61-64.Fei Jiyou，Zhou Mo.Design of Embedded CNC Device Based on ARM ＋FPGA［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2010（12）：61-64.

［4］Xu Yue，Wang Taiyong，Zhao Yanju，et al.Design of Reconfigurable CNC System Based on Embedded Technology［C］／／Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation.Chongqing，2008：6061-6064.

［5］Satyam，Kamble R D，Dhanashri，et al.Three-dimensional Motion Control Using Embedded Controller and FPGA Technology［C］／／Proceedings of the 5th International Conference on Electrical and Computer Engineering.Dhaka，2008：851-856.

［6］Liu Jingmeng，Chen Wheihai，Wang Tianmiao，et al.Hardware Circuit Design of NC System Based on ARM and FPGA［C］／／The IEEE International Conference on Industrial Informatics.Daejeon，2008：147-152.

［7］Yu Dong，Hu Yi，Xu Xun，et al.An Open CNC System Based on Component Technology［J］.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2009，6（2）：302-310.

［8］胡毅，于東，李培楠，等.基于現(xiàn)場總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2008，29（9）：1745-1749.Hu Yi，Yu Dong，Li Peinan，et al.Design and Implementation of Open CNC System Based on Fieldbus［J］.Journal of Chinese Computer Systems，2008，29（9）：1745-1749.

［9］王志成，于東，張曉輝，等.數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線時鐘同步機制的設(shè)計［J］.中國機械工程，2010，21（18）：2207-2211.Wang Zhicheng，Yu Dong，Zhang Xiaohui，et al.Design of Field-bus Time Synchronization for Numerical Control System［J］.China Mechanical Engineering，2010，21（18）：2207-2211.

［10］王志成，于東，胡毅，等.新的基于運動控制總線的雙軸協(xié)調(diào)控制方法［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2010，31（11）：2296-2299.Wang Zhicheng，Yu Dong，Hu Yi，et al.Novel Approach to Bi-axial Coordination Control Based on Motion Control Bus［J］.Journal of Chinese Computer Systems，2010，31（11）：2296-2299.

［11］王志成，于東，李培新，等.數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線通信效率的改進(jìn)［J］.計算機工程，2011，37（10）：23-15.Wang Zhicheng，Yu Dong，Li Peixin，et al.Improvement of Field-bus Communication Efficiency in Numerical Control System［J］.Computer Engineering，2011，37（10）：23-15.

［12］胡毅，于東，郭銳鋒，等.數(shù)控總線的消息安全通信方法［J］.機械工程學(xué)報，2011，47（5）：134-142.Hu Yi，Yu Dong，Guo Ruifeng，et al.Message Safety Communication Method for Computer Numerical Control Fieldbus［J］.Journal of Mechanical Engineering，2011，47（5）：134-142.

［13］曹玉華，游有鵬.基于Xenomai的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實時性研究［J］.制造技術(shù)與機床，2011（6）：51-55.Cao Yuhua，You Youpeng.Research on Real-time of Embedded CNC System Based on Xenomai［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2011（6）：51-55.

［14］OMAP35xApplications Processor Technical Reference Manual［M］.USA：Texas Instruments Incorporated，2008.

［15］樊留群.實時以太網(wǎng)及運動控制總線技術(shù)［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2009.