利用RTSI總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步

1 引言
許多測(cè)試系統(tǒng)要求在連續(xù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果測(cè)試過(guò)程不連續(xù)，或者測(cè)試位置在前而采集在后，二者之間不能同步，將不可避免地產(chǎn)生誤差。為了提高測(cè)量精度，運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集必須實(shí)現(xiàn)同步。目前，美國(guó)NI公司提供的PCI總線(xiàn)E系列數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡都嵌入了RTSI(Real-Time System Integration)總線(xiàn)，它可以滿(mǎn)足需要精確同步和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理的測(cè)試系統(tǒng)的要求。本文主要介紹如何利用RTSI總線(xiàn)編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步。

2 RTSI總線(xiàn)
RISI總線(xiàn)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)集成總線(xiàn)，它是一種專(zhuān)用高速數(shù)字總線(xiàn)，專(zhuān)門(mén)提供NI產(chǎn)品(包括圖像采集和數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品)之間的高速互連。RTSI總線(xiàn)包括7根觸發(fā)線(xiàn)，用于創(chuàng)建NI的測(cè)量、圖像采集和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備以及接口板卡之間靈活的同步關(guān)系。通過(guò)軟件設(shè)置可將其他觸發(fā)信號(hào)路由到RTSI總線(xiàn)上，也可以將RTSI總線(xiàn)信號(hào)路由到其分觸發(fā)信號(hào)線(xiàn)上作為觸發(fā)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)l路信號(hào)驅(qū)動(dòng)多個(gè)設(shè)備，達(dá)到同步的目的。通過(guò)RTSI總線(xiàn)，可用1個(gè)公共的觸發(fā)或定時(shí)事件實(shí)現(xiàn)幾個(gè)功能事件同步。RTSI總線(xiàn)的典型應(yīng)用包括觸發(fā)圖像采集、基于運(yùn)動(dòng)事件的數(shù)據(jù)采集測(cè)量、捕獲基于外部事件到運(yùn)動(dòng)控制器的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置等。
對(duì)于PCI總線(xiàn)E系列數(shù)據(jù)采集卡，有15種信號(hào)與RTSI總線(xiàn)相連，包括時(shí)基信號(hào)、數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘、D/A輸出時(shí)鐘、板上通用計(jì)數(shù)器信號(hào)、外部PFI(可編程輸入)信號(hào)等，如圖1所示。

3 運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集的同步
測(cè)試系統(tǒng)中采取的同步方式一般有二種：一種是運(yùn)動(dòng)控制卡控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到某個(gè)指定位置，數(shù)據(jù)采集卡能實(shí)時(shí)采集該位置上的數(shù)據(jù)，這種方式稱(chēng)為中斷；另一種同步方式是如果電機(jī)運(yùn)動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集到滿(mǎn)足某種條件的信號(hào)，則需要記錄電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)位置，這種方式稱(chēng)為捕獲。本文主要討論中斷同步方式。
3.1 中斷方式
中斷分為絕對(duì)位置中斷、相對(duì)位置中斷及周期性位置中斷。絕對(duì)位置中斷是指當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到某絕對(duì)位置時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡將產(chǎn)生外部中斷信號(hào)；相對(duì)位置中斷是指當(dāng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置相對(duì)于允許電機(jī)產(chǎn)生中斷時(shí)的位置之差滿(mǎn)足設(shè)定的條件時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)；求模位置中斷是指每相對(duì)于某個(gè)設(shè)定的位置都將產(chǎn)生1個(gè)中斷信號(hào)。因此可以根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的不同需要決定采取什么樣的中斷方式。
3.2 同步的原理
當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制卡控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)，編碼器上返回的位置信號(hào)一旦符合設(shè)定的位置條件，將發(fā)出1個(gè)中斷信號(hào)。該信號(hào)可作為數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)的觸發(fā)條件，使采集卡能實(shí)時(shí)采集所需數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡可以通過(guò)RTSI總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)二者之間的同步。運(yùn)動(dòng)控制卡產(chǎn)生的中斷信號(hào)通過(guò)內(nèi)部電路傳送到RTSI輸出引腳，目前RTSI輸出引腳主要有7個(gè)(RTSIO-RTSl6)。RPSI輸出引腳可通過(guò)外部電纜與數(shù)據(jù)采集卡的RTSI引腳相連。采集卡的RTSI引腳也可以通過(guò)內(nèi)部電路與其控制信號(hào)(見(jiàn)圖1)相連，從而實(shí)現(xiàn)二者之間的同步。
當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制卡控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到某個(gè)指定位置時(shí)將產(chǎn)生中斷信號(hào)，該中斷輸出信號(hào)可連接到運(yùn)動(dòng)控制卡的RTSI引腳，運(yùn)動(dòng)控制卡的RTSI引腳與數(shù)據(jù)采集卡的RTSI引腳相連。而在采集卡內(nèi)，RTSI引腳信號(hào)作為系統(tǒng)的掃描時(shí)鐘，與采樣時(shí)鐘信號(hào)相連，因此運(yùn)動(dòng)控制卡每產(chǎn)生1個(gè)中斷信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡便進(jìn)行1次通道掃描，讀取各個(gè)傳感器上采集的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)將存放在設(shè)置的緩沖區(qū)中。而一旦緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)已滿(mǎn)，則通過(guò)多線(xiàn)程的方式顯示到屏幕上。這樣就實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步。

4 編程實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集的同步控制流程如圖2所示。

筆者采用LabWindows/CVI軟件對(duì)RTSl總線(xiàn)、數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行編程，其函數(shù)庫(kù)由NI-DAQ和NI-Motion提供。其中NI-Motion函數(shù)庫(kù)可以將運(yùn)動(dòng)控制與所有應(yīng)用軟件相結(jié)合，并可通過(guò)數(shù)字觸發(fā)輸入或NI運(yùn)動(dòng)控制卡上的斷點(diǎn)輸出，使運(yùn)動(dòng)與測(cè)量硬件同步運(yùn)行。RTSI總線(xiàn)則將這些觸發(fā)與中斷信號(hào)連接到其他卡上，此總線(xiàn)功能由軟件設(shè)定。通過(guò)“MeasurementAutomation Explorer”(MAX)設(shè)備管理工具，可以配置各設(shè)備的硬件屬性，為每個(gè)設(shè)備分配1個(gè)設(shè)備編號(hào)，在編程時(shí)作為查找設(shè)備的標(biāo)識(shí)。下面是編程所需要的主要函數(shù)。
(1)連接中斷信號(hào)和RTSI總線(xiàn)信號(hào)函數(shù)
flex_select_signal(boardID,destination,source),其中boardlD為MAX分配的數(shù)據(jù)采集卡的ID號(hào)；destination目的信號(hào),為RTSI某引腳，如NIMC_RT-SI[0..7]；source源信號(hào)，為某一中斷信號(hào)的名稱(chēng)，如NIMC_BREAKPOINT[1..4]。
(2)設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)和中斷信號(hào)模式函數(shù)
設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度函數(shù)flex_load_velocity(boardlD，axisOrVectorSpace，velocity，inputVector)，其中ax-isOrVectorSpace為選擇軸編號(hào)或空間坐標(biāo)；in-putVector參數(shù)對(duì)脫離主機(jī)運(yùn)行的程序有用，一般設(shè)成OXFF。
設(shè)置加速度/減速度函數(shù)flex_load_acceleration(boardID，axisOrVectorSpace，accelerationType，accel-eration，inputVector)，其中accelerationType為選擇加載的方式，即加速度、減速度還是同時(shí)加載。
設(shè)置S-Curve時(shí)間函數(shù)flex_load_velocity(boar-dID，axisOrVectorSpace，sCurveTime，inputVector),其中sCurveTime為從0加速到恒定速度或從恒定速度減速到0時(shí)的時(shí)間，單位為采樣時(shí)間的整數(shù)倍。范圍為l～32 767。
設(shè)置運(yùn)動(dòng)模式函數(shù)flex_set_op_mode(boardID,axisOrVectorSpace，operationMode)。
設(shè)置運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置flex_load_target_pos(boardID，axis，targetPosition，inputVector)。
設(shè)置產(chǎn)生中斷的方式函數(shù)flex_config-ure_breakpoint(boardID，axisOrEncoder，enableMode，actionOnBreakpoint，operation)，其中actionOnBreak-point為中斷時(shí)電平的高低，operation為選擇單點(diǎn)中斷方式或緩沖中斷方式，由運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)決定。
(3)設(shè)置中斷信號(hào)產(chǎn)生位置和打開(kāi)中斷函數(shù)
設(shè)置中斷信號(hào)產(chǎn)生位置函數(shù)flix_load_pos_bp(boardID，axisOrEncoder，breakpointPosition．inputVector)，其中breakpointPosition為中斷位置(即采樣點(diǎn))的起始位置，下一次產(chǎn)生中斷的位置為上一次產(chǎn)生中斷的位置加上采樣間距。打開(kāi)中斷函數(shù)flex_enable_breakpoint()。
(4)啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)函數(shù)
啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)函數(shù)flex_start(boardID，ax-isOrVectorSpace，axisOrVSMap),其中axisOrVSMap為可選擇單軸運(yùn)動(dòng)或多軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。
(5)檢查各種狀態(tài)函數(shù)
檢查運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讀取運(yùn)動(dòng)是否結(jié)束函數(shù)flex_check_move_complete_status()。檢測(cè)中斷狀態(tài)函數(shù)flex_read_axis_status_rtn0()。從通信狀態(tài)寄存器中讀取通信狀態(tài)函數(shù)flex_read_csr_rtn()。

5 結(jié)束語(yǔ)
利用RTSI可為各種測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用提供基于硬件的高速同步能力，本文討論的這種基于RTSI的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步方法采用Lab-Windows/CVI編程實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用到在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的測(cè)控系統(tǒng)中，能獲得很好的測(cè)量精度。