基于DSP與BIOS內核的運動(dòng)控制器軟件技術(shù)創(chuàng )新論文
0 引 言
作為數控系統核心控制部件的運動(dòng)控制器，市場(chǎng)上有基于單片機、基于A(yíng)RM為主控處理+FPGA/CPLD作為輔控處理、基于DSP為主控處理+FPGA/CPLD作為輔控處理等多種硬件平臺的解決方案。在不同的硬件平臺上，軟件系統調度方案可以采用μC/OS?Ⅱ，BIOS，RT?Linux，VxWorks等多種實(shí)時(shí)操作系統內核，因而衍生出各種軟件系統的架構方案[1]。采用TI公司TMS320C6713系列DSP芯片為主控芯片+FPGA作為輔控芯片的硬件平臺的解決方案，其數據吞吐量和高速浮點(diǎn)運算上具有一般單片機不可比擬的優(yōu)勢。而采用TI公司的DSP芯片和CCS的開(kāi)發(fā)平臺，可以使用配套的非開(kāi)放源代碼的BIOS實(shí)時(shí)內核，在中小型數控系統應用開(kāi)發(fā)上，其更加專(zhuān)業(yè)，相比采用ARM硬件平臺而使用的開(kāi)放性源代碼的實(shí)時(shí)操作系統內核，采用DSP硬件平臺與BIOS內核的運動(dòng)控制器穩定性更好，能夠節約實(shí)時(shí)操作系統移植和測試時(shí)間，縮短開(kāi)發(fā)周期，因而其是一種合理有效的解決方案[2]。
為了能夠在該平臺上進(jìn)行有效的模塊化數控功能組件的開(kāi)發(fā)、維護和移植，本文提出了一種標準化的軟件分層與接口架構方案。該方案可作為一種設計模式，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的基本功能與二次開(kāi)發(fā)需求。
1 系統整體方案
1.1 運動(dòng)控制器硬件實(shí)現平臺
本文采用的運動(dòng)控制器的硬件系統[3]框圖如圖1所示。其中，TMS320C6713系列DSP具有浮點(diǎn)運算器，能快速高效地完成工件加工軌跡插補計算。其集成外部擴展擴的EDMA和EMIF總線(xiàn)具有數據吞吐量大的特點(diǎn)。該DSP主頻為225 MHz，對應的指令周期為4.4 ns，相應的運算速度可達1 800 MIPS/1 350 MFLOPS，適用于中小型數控系統主控制器的需求[4]。
ACTEL公司的A3P400系類(lèi)FPGA是一種高密度，等效40萬(wàn)門(mén)器件，其可配置的I/O可以兼容多種類(lèi)型的數字電平。另外ACTEL公司提供的Libero集成開(kāi)發(fā)工具，能提供數字PLL、高速FIFO等多種通用型軟核模塊，能夠節約開(kāi)開(kāi)發(fā)時(shí)間與成本，是作為運動(dòng)控制器外部通信總線(xiàn)接口的一種可靠高效的硬件方案。
圖1 運動(dòng)控制器硬件結構圖
1.2 系統軟件層次劃分
本文軟件系統采用三層結構劃分[1]，其層次結構如圖2所示。
圖2 軟件架構層次圖
(1) 用戶(hù)應用接口層�？筛鶕唧w的用戶(hù)需求開(kāi)發(fā)各種功能的'數控應用模塊，并將各功能模塊作為組件通過(guò)接口嵌入到系統軟件中來(lái)。本文所開(kāi)發(fā)的基礎用戶(hù)組件塊及其功能將在下一節詳細描述。
(2) BIOS內核層。采用TI公司的CCS3.3提供的BIOS內核以及其各種內核組件，可有效縮短內核移植和測試時(shí)間。CCS3.3提供圖形化界面接口，如圖3所示。其可對內核各個(gè)組件進(jìn)行配置和應用。它的內核通過(guò)編譯后將在文件鏈接時(shí)植入程序，生成最后可執行文件。 (3) 硬件驅動(dòng)層。用于管理運動(dòng)控制器板卡上與DSP相連的各個(gè)硬件設備的驅動(dòng)，并為內核與用戶(hù)應用層提供硬件訪(fǎng)問(wèn)接口。板卡硬件包括：FIFO通信緩沖器、CNC脈沖發(fā)生器、UART總線(xiàn)控制器、SERCOS總線(xiàn)控制器等。外部模擬數字硬件設備采用FPGA或專(zhuān)用IC實(shí)現。
圖3 BIOS內核圖形化配置界面
2 用戶(hù)應用軟件任務(wù)劃分
用戶(hù)應用軟件組件模塊可分為基礎組件和擴展組件[5]�；A組件提供數控系統基本的加工、維護、調試、監控等各種接口控制功能。擴展組件根據特定的用戶(hù)需求可選擇性裁剪安裝，一般擴展組件包括軟PLC編程接口，SERCOS總線(xiàn)、脈沖、TCP/IP、UART等各種通信協(xié)議數據包解析與格式轉換等功能。BIOS內核是一款多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，可以在系統多個(gè)用戶(hù)基礎任務(wù)之間進(jìn)行調度。本文所描述系統基本用戶(hù)組件任務(wù)劃分見(jiàn)圖4。
圖4 運動(dòng)控制器硬件結構圖
2.1 HMI任務(wù)
HMI通信數據包幀格式如表1所示。HIM任務(wù)處理流程如圖5所示。
(1) 通信數據包格式。通信數據包格式固定，但功能信息結構格式不固定[6]。不同的信息，如調試信息、G代碼腳本信息的內容等采用不同的信息格式，這樣用戶(hù)在增加新的功能組件時(shí)，只要自己編寫(xiě)新的信息格式和編碼與解析方式，就能利用原有的通信協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使得系統代碼能夠移植和重新利用。
表1 HMI數據包幀格式
圖5 HIM任務(wù)處理流程圖
(2) 數據包生成器。從已處理完的HMI信息隊列中按照不同約定信息格式讀取信息，并按照數據包的格式為其添加幀頭、物理地址、校驗碼等，生成一組數據幀，并將該數據幀通過(guò)EMIF總線(xiàn)寫(xiě)入FPGA中的UART發(fā)送FIFO，待其轉換為對應數字電平發(fā)送給上位機。
(3) 數據包解析器。通過(guò)EMIF總線(xiàn)從在FPGA中實(shí)現的UART總線(xiàn)接收FIFO中讀取一個(gè)數據幀，并按照約定的用戶(hù)應用的解析方式解析成對應的信息，并將信息加載到HMI接收信息隊列，等待數據處理與交換任務(wù)啟動(dòng)進(jìn)行處理。
2.2 用戶(hù)數據處理與交換任務(wù)
用戶(hù)數據處理與交換任務(wù)流程如圖6所示。
本系統提供G代碼腳本解釋器、調試維護命令殼、系統錯誤診斷器三個(gè)基礎組件。用戶(hù)可根據特定需求植入新的組件，并編寫(xiě)對應組件接口信息編碼與解析方式。
(1) G代碼腳本解釋器[7]
數控G代碼解釋的方案很多。部分廠(chǎng)商采用在上位機解析成配置信息碼，并發(fā)送給運動(dòng)控制器的方案。但此方案會(huì )增加數據通信量，使得通信時(shí)延增加。本系統采用的方案是：上位機以字符串格式將數控G代碼腳本信息打包發(fā)送給運動(dòng)控制器，運動(dòng)控制器對字符串進(jìn)行重新組合，并通過(guò)識別組合碼配置數控參數控制塊。該方案可以減少通信負擔，減小通信延時(shí)，但是將增大DSP的運算處理量。因為DSP運算速度明顯要塊于通信傳輸速率，所以該方案是一種合理的折中方案。
圖6 用戶(hù)數據處理與交換任務(wù)流程圖
(2) 調試維護命令殼
該功能用于系統開(kāi)發(fā)階段和系統維護階段。系統集成該功能夠之后，根據開(kāi)發(fā)人員提供的維護指令手冊，在上位機輸入維護指令，返回運動(dòng)控制器相應的關(guān)鍵系統數據結構的運行狀態(tài)碼，能幫助維護人員快速地判斷系統運行中的故障，并為數控機床每個(gè)加工軸提供電機測試接口。
(3) 系統錯誤診斷器
負責管理和存儲數控系統需要監控運行的重要模塊信息，一旦重要模塊運行發(fā)生故障，則把錯誤編碼保存在系統錯誤診斷器中，并在任務(wù)運行時(shí)將錯誤碼發(fā)送給上位機。
2.3 運動(dòng)控制任務(wù)
運動(dòng)控制任務(wù)是運動(dòng)控制器最核心的部分，也是BIOS內核所管理的任務(wù)中優(yōu)先級最高的一個(gè)任務(wù)。不同廠(chǎng)商的控制器有不同的實(shí)現方案。為了能夠清晰理解與移植本文所述系統的運動(dòng)控制程序，圖7給出了運動(dòng)控制的行為與數據流框圖。
根據圖7所描述的運動(dòng)控制行為，編寫(xiě)的運動(dòng)控制任務(wù)程序的流程圖如圖8所示。
圖7 運動(dòng)控制的行為與數據流圖
圖8 運動(dòng)控制任務(wù)流程圖
(1) 加工軌跡計算。加工軌跡計算控制器，綜合數控配置參數與實(shí)時(shí)的反饋數據，通過(guò)各種數值計算方法，進(jìn)行各種數控插補計算，得到最終的加工數據，可以通過(guò)脈沖編碼格式或者SERCOS通信總線(xiàn)，發(fā)送給控制CNC的每個(gè)軸的伺服電機驅動(dòng)器，控制電機的旋轉與進(jìn)給。
(2) 電機驅動(dòng)管理。實(shí)時(shí)地管理監控CNC每個(gè)軸的電機驅動(dòng)器。讀取驅動(dòng)器的工作狀態(tài)，將需要上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)監控的數控實(shí)時(shí)運行數據寫(xiě)入CNC接收信息隊列，并通過(guò)數據交換控制任務(wù)，發(fā)送到上位機用于監控。當有電機驅動(dòng)器運行出現異常時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行保護停止，并發(fā)送運行故障編碼。
3 軟件方案的驗證性測試
在本實(shí)驗室研發(fā)的嵌入式數控系統測試平臺如圖9所示。其中，HMI板通過(guò)JTAG接口與調試主機1相連，運動(dòng)控制板通過(guò)JTAG接口與調試主機2相連。HMI板與運動(dòng)控制板通過(guò)RS 422總線(xiàn)連接，并在采用UART協(xié)議進(jìn)行通信[6，8]。
由于電機運行軌跡與效果無(wú)法很好通過(guò)圖片展示，并且本實(shí)驗目的主要是驗證整個(gè)軟件系統架構的可行性，并修補程序BUG。因而建議采用硬件模擬運行加Matlab仿真的驗證方法。
圖9 運動(dòng)控制測試平臺
采用圓弧插補測試的方法，在上位機通過(guò)G代碼腳本格式導入測試指令腳本，運動(dòng)控制器讀取數據包，解析出測試腳本信息后，進(jìn)行處理和運算，得出的運算數據保存后，導入Matlab仿真軟件，生成運行軌跡圖，以便模擬仿真電機的實(shí)際運行軌跡。表2為CNC測試腳本的加工軌跡數據。
表2 測試加工軌跡數據
圖10為經(jīng)過(guò)系統運行得到的加工軌跡與原始測試數據的軌跡對照。
圖中點(diǎn)線(xiàn)：測試腳本數據擬合曲線(xiàn);實(shí)線(xiàn)：DSP計算的加工數據擬合曲線(xiàn)。從方案驗證性測試實(shí)驗得到的模擬數據擬合圖像和原始腳本測試數據對比，可以驗證該軟件架構方案和基礎用戶(hù)組件能在實(shí)驗室的CNC系統平臺上穩定可靠地運行，因而驗證了該軟件架構方案的可行性。
圖10 加工軌跡測試與模擬軌跡
4 結 語(yǔ)
本文基于TI公司的C6713系列DSP+FPGA作為硬件實(shí)現方案的運動(dòng)控制器平臺，提出一種可移植性軟件架構方案。通過(guò)三層軟件結構模型的描述和基礎性用戶(hù)組件與接口的任務(wù)劃分，為用戶(hù)的功能的二次開(kāi)發(fā)與軟件代碼的維護提供的一個(gè)基礎性平臺。并通過(guò)加工腳本測試驗證了方案的可行性與穩定性。
參考文獻
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