光電伺服控制軟件調試工具頂層框架設計與應用

摘 要：光電伺服控制軟件作為光電穩定平臺的重要組成之一，如何進行有效調試是工程技 術人員越來越關注的問題。針對光電伺服控制軟件的特點，分析了其在調試過程中存在的用傳統 調試方法難以解決的問題。基于這些問題，提出了一種專門針對此種軟件調試的頂層方案，論述 了調試工具的功能需求和設計的關鍵問題，采用模塊化編程思想，構建了調試工具的頂層框架。

關鍵詞：光電伺服控制軟件；調試工具；框架設計

中圖分類號：TP311.56 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）01-0057-04

TheTopFrameworkDesignandApplicationofDebugging ToolforOptoElectronicServoControlSoftware

LIAOHongbo，ZHUWenliang，WANGYonghong，FANDapeng

（NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）

Abstract：Optoelectronicservocontrolsoftware（OESCS）isanimportantcomponentoftheopto electronicstabilizedplatform，engineerspaymoreandmoreattentiontothedebuggingproblem.Thispa perstartsfromtheanalysisofthecharacteristicsofOESCS，theproblemsofOESCS’debuggingprocess whichisdifficulttosolvebyusingtraditionalmethodarestated.Accordingtotheseproblems，thespecial isticdebuggingtoolforOESCSisdesigned.Thefunctiondemandanddesignessentialsarediscussed，and thetopframeworkofdebuggingtoolisconstructedusingthemodularprogrammingidea.

Keywords：optoelectronicservocontrolsoftware；debuggingtool；frameworkdesign

0 引 言

光電穩定平臺的目的在于隔離載體擾動，實 現光電探測器視軸穩定和精確瞄準等功能。光電 伺服控制系統作為平臺的核心組成之一，它的實 現直接關系到光電穩定平臺是否能夠正常工 作[1-2]。隨著計算機技術的發展，數字伺服控制系 統越來越多地應用于光電伺服控制中。相對于模 擬控制而言，數字控制的硬件結構簡單，容易標準化，具有很高的噪聲容限，可通過軟件實現更為復 雜的控制律[3-5]。數字伺服控制系統是通過軟件編 程的方法實現各種控制算法和各項控制功能，從 而形成一套針對目標對象的伺服控制軟件，但此 軟件從研制開發到形成產品，需要經過反復的調 試、測試和驗證過程，需要花費工程技術人員大量 的時間和精力，還不一定取得比較好的效果。因此 為了把工程技術人員從繁重的程序調試工作中解 放出來，同時實現對軟件各項功能的測試，需要開 發一種針對此種軟件的專用調試工具。

本文從分析光電伺服控制軟件調試過程中存 在的問題角度出發，提出解決問題的方案，即設計 一種服務于此種軟件調試工作的調試工具。通過對調試工具的功能需求和設計關鍵問題分析，構 建其頂層結構框架，為調試工具的具體實現提供 軟件框架設計方面的依據。

1 光電伺服控制軟件調試中的問題分析

1.1 軟件特點分析

光電伺服控制系統中的電流環回路，由模擬 控制器實現；位置預定回路、速度控制回路、陀螺 穩定控制回路和跟蹤控制回路都由數字控制器實 現。目前，在數字控制器的設計過程中，dSPACE 半實物仿真系統由于實時性、控制器設計和驗證 快速性等優異性能，在光電伺服控制系統開發中 得到越來越廣泛的應用，已成為光電伺服控制系 統中各控制回路控制器設計和驗證必不可少的工 具。然而，光電伺服系統各控制回路的實現是以 DSP（TMS320F2812）主控芯片為硬件基礎，在集成 開發環境（CCS）中基于C語言的編程實現的，并 通過調試-修改-調試的過程，形成一套完整的 為光電穩定平臺伺服控制服務的軟件系統，如圖1 所示。

圖1中，各控制回路控制器設計和驗證是在 dSPACE半實物仿真系統中完成，以各回路控制器 為基礎的光電伺服控制各項功能的實現是在DSP 中編程實現的。雖然光電伺服系統所需功能根據 任務需求有所不同，但它們通常都包括以下幾個 主要功能：穩像功能，隔離載體擾動對圖像的影 響；位置鎖定功能，根據控制指令，使平臺視軸指 向預定的角度位置；搜索功能，根據控制指令，在 慣性空間內按照設定方式和范圍運動并搜索目標； 跟蹤功能，讓平臺自動跟蹤目標運動，實現對目標的定位和瞄準；上電自檢和故障診斷功能，檢測各 傳感器工作是否正常，實現對平臺信息的初始化， 初步實現對平臺常見故障的自診斷；通信功能，實 現平臺與上位機或者其他信息節點之間的數據交 換。為了降低編程的復雜性，增加程序的通用性， 采用模塊化的編程思想[1-2]，依據各功能需求，對 軟件結構進行模塊化劃分，如圖2所示。

1.2 軟件調試過程中存在的問題

通過對光電伺服控制軟件特點的分析發現， 在光電伺服控制軟件的調試過程中存在以下幾個 方面亟待解決的問題：

（1）在軟件調試過程中，為了檢測各傳感器 的信號是否正常，需要在不中斷程序運行的情況 下對傳感器信號進行實時監測。同樣，光電伺服控 制系統由于多任務需求，存在多功能工作模式，面 臨在不同工作模式之間進行切換的問題，需要在 線修改DSP軟件程序中的指定變量，用傳統的調 試手段難以得到圓滿解決；

（2）光電伺服控制系統的調試是在工廠或者 實驗室環境下完成的，而實際使用環境較調試環 境復雜很多，也更為惡劣，需要在調試環境下建立 一套模擬外部工作環境的硬軟件系統對光電伺服 控制系統進行測試，故存在與外部硬軟件環境之 間進行實時數據交換的問題。

由于光電伺服控制軟件調試過程中存在的問 題有很強的專業性，用傳統的軟件調試方法很難 得到圓滿解決，故本文提出了設計一種針對此軟 件的調試工具的設想，以彌補其調試過程中存在 的不足。

2 調試工具頂層框架設計

2.1 功能需求分析

調試工具的功能需求是通過被調試軟件的任務 需求確定的，作為一種專用于光電伺服控制軟件調試工作的工具，它應滿足以下三個方面的功能：

（1）各回路控制器性能驗證功能。包括位置 預定回路、陀螺穩定回路和跟蹤回路的控制性能 測試和驗證；

（2）各種傳感器信號和控制指令信號實時顯 示功能。傳感器信號包括位置傳感器、測速傳感 器、陀螺和圖像跟蹤器等，控制指令包括光電伺服 控制系統測試中常用的不同頻率和幅值的正弦和 方波信號；

（3）輔助功能。包括系統自檢、被調試軟件的 故障監測與診斷、數據信息保存、陀螺漂移修正等。

同樣按照模塊化編程的思想，對上述每個功 能進行細化，構建調試工具軟件頂層框架，如圖3 所示。由于光電穩定平臺多采用兩軸結構，故調試 工具的每種調試功能需要實現對兩軸的獨立調試 和協同調試，在定義各軸變量時應該把不同的軸 單獨定義。調試工具作為一個開放的軟件系統，當 被調試軟件有新的功能需要調試時，只需在已有 的軟件框架下加入新的調試功能模塊即可。

2.2 關鍵問題分析

目前，大多數光電伺服控制軟件是在以DSP 為基礎的硬件上實現的，DSP的軟件開發與調試 是在CCS集成開發環境中完成，而調試工具往往 是基于另一種軟件開發與調試環境，這兩種硬軟 件環境之間的實時數據交換是實現各項調試功能 的基礎，如圖4所示。

在調試工具的設計過程中，一方面，由于光電 伺服控制系統的伺服周期一般選擇在1ms左右， 每完成一個伺服周期，系統的各種狀態信息更新 一次。為了能夠實時觀測伺服控制系統各種狀態 信息的變化，調試工具與光電伺服控制軟件之間 的數據交換頻率不能太低，小于或者等于伺服周 期為最優。另一方面，調試工具與光電伺服控制軟 件之間進行數據交換時有可能包含幾種數據信息， 這要求兩者之間進行一次數據交換的信息容量足 夠大。

3 實例應用

基于Matlab軟件環境下編寫的某光電伺服控 制軟件調試工具采用了上面提出的框架設計思想， 調試工具的界面如圖5所示。

調試工具界面主要由數據顯示、控制命令發 送、曲線繪制以及操作控制按鈕組成。按照調試工 具頂層框架設計的思想，數據顯示主要實現了各 個傳感器數據信息實時顯示功能。控制命令發送 主要實現了電機使能、運動軸選擇、各個控制回路 模式切換和激勵信號參數設置的功能。曲線繪制 主要實現了當前所需要觀測的傳感器信息和激勵 信號的實時繪圖功能。操作控制按鈕實現了界面 的運行、暫停和停止功能。

調試工具與光電伺服控制軟件之間的實時數 據交換是通過4個RTDX通道完成的，一個RTDX 通道一次可以交換的數據為1012個字符類型的數 據，而完成數據交換的時間不受限制，因此保證了 數據交換的實時性和信息量大的要求。

4 結 論

本文針對光電伺服控制軟件調試過程中難以 用現有調試手段解決的問題，提出了設計一種光電伺服控制軟件專用調試工具的設想。通過對光 電伺服控制軟件特點分析、調試工具的功能需求 和設計中關鍵問題的分析，采用模塊化編程思想， 構建了調試工具軟件頂層框架。實例應用表明：頂 層框架的設計為調試工具的具體實現提供了技術 指導。

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