林立明 于 東 胡 毅 秦承剛 王志成 陸小虎

1.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京，100049

2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國(guó)家工程研究中心，沈陽(yáng)，110168

3.沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽(yáng)，110168

0 引言

目前，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)是國(guó)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(diǎn)，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(tái)和開源實(shí)時(shí)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(jiǎn)單，而且軟件資源豐富，可靠性與可重構(gòu)性較強(qiáng)，極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(tái)構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，能夠以低的成本實(shí)現(xiàn)接近PC平臺(tái)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(guó)內(nèi)外針對(duì)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(duì)功能較弱的微控制器進(jìn)行端口擴(kuò)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(duì)數(shù)控系統(tǒng)的軸數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，如將單軸擴(kuò)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(qiáng)，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(duì)一傳輸、模擬信號(hào)控制等特點(diǎn)，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(chǎng)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(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器需采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分辨率低；②一個(gè)模擬接口只能連接一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(jiǎn)化，從根本上突破了傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的模擬信號(hào)或數(shù)／模信號(hào)控制的局限性，同時(shí)具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高速高精數(shù)控系統(tǒng)的需求［8］。

針對(duì)上述問題，本文采用基于ARM和FPGA的設(shè)計(jì)方案，在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中引入SSB-III現(xiàn)場(chǎng)總線，并給出了總線式運(yùn)動(dòng)控制器性能的評(píng)測(cè)方法。

1 數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信

1.1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)

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

基于現(xiàn)場(chǎng)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(jī)接口單元（human machine unit，HMU）及機(jī)床控制單元（machine control unit，MCU）構(gòu)成的數(shù)字控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、主軸設(shè)備、IO設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)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(dòng)器的硬件中。數(shù)控裝置的命令通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)給指定的伺服或IO；伺服或IO的反饋也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳給數(shù)控裝置?？偩€系統(tǒng)中允許有一個(gè)主設(shè)備（主站）及多個(gè)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(shí)序由主設(shè)備進(jìn)行控制［9-10］。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型

目前，現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)度短、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線沒有采用網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)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(lái)的時(shí)間開銷。因此，典型的基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線模型

SSB-III現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型如圖2所示。主站為CNC，從站為多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、主軸驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤等）。站點(diǎn)的連接采用菊花鏈拓樸結(jié)構(gòu)，每個(gè)從站有兩個(gè)通信接口，分別向前、向后連接到別的從站。每個(gè)從站除了作為通信主體外，還采用交換技術(shù)對(duì)其他站的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 SSB－III現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型

2 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)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(jī)械組裝及通信接口連接方式。

2.2 OMAP3530平臺(tái)

OMAP3530平臺(tái)由核心板和擴(kuò)展板構(gòu)成，核心板定義了一個(gè)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(yùn)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(yùn)算需求量大的插補(bǔ)計(jì)算等。

圖3 基于ARM和FPGA的運(yùn)動(dòng)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(chǔ)控制器（general-purpose memory controller，GPMC）是一個(gè)16位的外部存儲(chǔ)控制器，可為 NOR flash、NAND flash、pSRAM 等傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件提供讀寫接口。如圖4所示，GPMC包括6個(gè)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(cuò)代碼引擎；⑥外部存儲(chǔ)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(gè)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(gè)100兆的以太網(wǎng)物理層芯片構(gòu)成。由這兩個(gè)芯片引出兩個(gè)接口（RJ45），一個(gè)接口連到前繼站點(diǎn)，另一個(gè)連接到后繼站點(diǎn)，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(jī)OMAP3530平臺(tái)通信。

圖4 GPMC原理框圖

通信專用芯片采用FPGA實(shí)現(xiàn)SSB-III總線的鏈路層功能，其功能如圖5b所示。整個(gè)鏈路層可以劃分為3個(gè)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(shí)現(xiàn)物理層和用戶層信息的接入。鏈路層邏輯功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路層的全部功能：實(shí)時(shí)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(chǔ)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(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于Xenomai的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

Xenomai采用雙內(nèi)核機(jī)制對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行強(qiáng)實(shí)時(shí)擴(kuò)展。在雙內(nèi)核技術(shù)下存在一個(gè)支持強(qiáng)實(shí)時(shí)的微內(nèi)核，實(shí)時(shí)內(nèi)核與Linux內(nèi)核共同運(yùn)行于硬件平臺(tái)。與其他實(shí)時(shí)性改造項(xiàng)目相比，Xenomai更關(guān)注可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)雙內(nèi)核機(jī)制，如圖6所示。Adeos的主要功能包括：中斷管道機(jī)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(gè)域存在。Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度，Xenomai采用精度更高的定時(shí)中斷來(lái)調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更小的調(diào)度延時(shí)。Xenomai域的優(yōu)先級(jí)高于Linux域，每當(dāng)中斷到來(lái)，Adeos會(huì)先將中斷交給Xenomai處理，如果Xenomai沒有需要處理的中斷，才會(huì)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(shí)時(shí)性［13］。

圖6 Linux＋Xenomai架構(gòu)

3.2 SSB－III總線控制板驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

SSB-III總線控制板采用GPMC接口與OMAP3530平臺(tái)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(hào)包括地址線gpmc＿a［10∶1］，數(shù)據(jù)線gpmc＿d［15∶0］，時(shí)鐘線gpmc＿clk，并且對(duì)控制信號(hào)做了精簡(jiǎn)，只用到nCE、nOE、nWE［14］。

SSB-III總線控制板，驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器性能評(píng)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(yùn)動(dòng)控制對(duì)總線的要求主要體現(xiàn)在以下幾方面［15］：①實(shí)時(shí)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(shí)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(yùn)行，即各個(gè)控制軸要同時(shí)執(zhí)行收到的控制指令，將同一時(shí)刻的反饋數(shù)據(jù)傳輸給控制器）；④支持I／O設(shè)備信號(hào)的傳遞；⑤支持非周期的數(shù)據(jù)。

針對(duì)上述要求，論文在基于ARM和FPGA的總線式運(yùn)動(dòng)控制器上，對(duì)影響總線傳輸實(shí)時(shí)性的中斷響應(yīng)延遲和影響總線傳輸確定性的中斷抖動(dòng)兩個(gè)性能參數(shù)，開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

整套實(shí)驗(yàn)裝置由OMAP3530主控板、SSB-III總線控制板、SSB-III總線伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)、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(chǎng)總線傳輸機(jī)制中，當(dāng)鏈路層的數(shù)據(jù)包到達(dá)應(yīng)用層時(shí)將觸發(fā)一個(gè)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(shí)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(chǎng)總線的一個(gè)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(yǔ)句的時(shí)間，這部分時(shí)間包含在圖9中的Tm（Ts）中。

本文采用OMAP3530處理器自身的定時(shí)器來(lái)測(cè)量中斷延遲。測(cè)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(qǐng)定時(shí)器（timer＿ptr）并予以初始化、向系統(tǒng)申請(qǐng)定時(shí)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(shí)獲取定時(shí)器的數(shù)值；模塊清除函數(shù)負(fù)責(zé)定時(shí)器、中斷號(hào)等資源的釋放，并將測(cè)試模塊從內(nèi)核中清除。

記gt＿rate為定時(shí)器的頻率，則定時(shí)器的初始值start＿tick 為

從start＿tick開始經(jīng)過(guò)ns后定時(shí)器將產(chǎn)生一個(gè)溢出中斷，此時(shí)定時(shí)器會(huì)自動(dòng)重載start＿tick，然后繼續(xù)計(jì)時(shí)。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(shí)調(diào)用針對(duì)OMAP平臺(tái)的內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)，獲得定時(shí)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(cè)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(dòng)（最大延遲與最小延遲時(shí)間之差）為52.462μs。

現(xiàn)在考慮修改測(cè)試程序，將定時(shí)器中斷注冊(cè)為Xenomai內(nèi)核下的實(shí)時(shí)中斷。測(cè)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(dòng)為3μs，可以看到采用了實(shí)時(shí)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(dòng)

抖動(dòng)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的一個(gè)重要性能指標(biāo)，指的是同樣的過(guò)程每次的完成時(shí)間或響應(yīng)時(shí)間之間的 偏 差。SSB-III現(xiàn) 場(chǎng) 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(shí)驗(yàn)測(cè)得的Xenomai實(shí)時(shí)中斷周期數(shù)據(jù)如圖11所示，最大偏差（實(shí)際周期與理論周期2ms的最大偏離值）為34.615μs，即周期抖動(dòng)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(dòng)

5 結(jié)論

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

（2）測(cè)試了系統(tǒng)中斷響應(yīng)延遲，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了Linux＋Xenomai實(shí)時(shí)改造方案的有效性。

（3）對(duì)中斷響應(yīng)延遲及中斷周期抖動(dòng)的測(cè)量與分析證明，本文所設(shè)計(jì)的基于ARM和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器能滿足數(shù)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線性能需求。

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