基于RTX的角度編碼器信號實時采集設計

任海燕,廖建平,肖述晗,吳帥,尹曉麗

(航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095)

0 引言

國內慣性測試設備的角度編碼器信號采集通常以單片機或DSP+FPGA作為系統的控制核心[1-2],屬于采用硬件電路實現,但使用硬件電路時接口電路復雜,開放性差,不能實現系統的可互換性。

為實現慣性測試設備高精度伺服控制,不僅需要良好的用戶界面便于用戶使用,更要具有良好的實時性能,以保證數據的實時采集和實時發送。Windows是比較常見的操作系統,人機交互界面良好,但當打開程序平臺太多時,會出現定時不準現象,難以滿足對實時性要求較高的系統需求[3]。RTX操作系統是美國Ardence公司開發的實時子系統,用于Windows平臺,不僅具有較強的實時性,而且具有較好的穩定性及可擴展性[4-5]。本文基于RTX+Windows系統平臺進行角度編碼器信號的實時采集研究。

RTX+Windows系統平臺是在Windows系統基礎上拓展實時子系統RTSS[6],該平臺不僅繼承了原有Windows操作系統的優點,而且提高了系統實時性,使線程間切換時間極大地縮短。RTX+Windows系統平臺也是目前Windows平臺上唯一基于軟件的硬實時解決方案[7-8]。

1 角度編碼器信號實時采集硬件方案

本文以單軸轉臺為應用對象。單軸轉臺主要由三部分組成:臺體、采集及控制系統和計算機系統。臺體為立式結構;采集及控制系統用于實時采集轉臺角位置并控制臺體按照指令進行回轉運動;計算機系統主要為工控機,用于采集數據及發送指令[9]。

該單軸轉臺控制系統要求根據給定的指令,通過計算機系統生成控制律,通過DA卡作用于驅動器,從而控制電機,其中采集的角度編碼器信號用于轉臺角位置反饋,實現對轉臺角位置的閉環控制。

1.1 關鍵元部件選型

由于單軸轉臺控制系統為閉環系統,需要角度編碼器信號作為反饋元件,修正位置指令與反饋位置的誤差。因此角度編碼器的精度直接影響了系統的位置精度。

相較于相對編碼器,絕對編碼器抗干擾能力強,用于控制系統更可靠。其中德國HEIDENHAIN公司絕對式光柵編碼器性能較強、可靠性高,并且重復性好。該編碼器可輸出ENDAT,1Vpp等信號,其中ENDAT協議輸出絕對位置編碼數據。

HEIDENHAIN計數卡IK220是一個基于PCI的PC計算機擴展卡,用于記錄絕對式角度編碼器測量值[10],與HEIDENHAIN絕對編碼器配套使用,對模擬信號的細分倍數高,準確度高且實時性強,對實現基于軟件的硬實時采集具有重要作用。

1.2 實時采集硬件方案

該單軸轉臺控制系統通過IK220計數卡實時采集轉臺角度編碼器信號,并通過RTX系統實時驅動IK220計數卡,實時讀取角位置數據。

系統硬件方案如圖1所示,系統根據實時讀取的角位置數據及位置指令,設計控制算法得到實時控制律,從而對該單軸轉臺進行高精度控制。控制策略采用位置環和電流環雙閉環,其中位置環采用經典數字PID算法。角度編碼器信號的采集及控制均通過下位機實現。

圖1 單軸轉臺系統硬件方案圖

2 基于RTX的IK220接口驅動程序設計

由于Windows系統是非實時系統[11],故IK220針對Windows系統的驅動程序,不能滿足單軸轉臺控制實時性的需求。故研究基于RTX的IK220接口驅動程序設計,實時采集角度編碼器測量位置值,進而實現單軸轉臺位置和速率的高精度控制。

2.1 RTX驅動模型

RTX實時線程的調用機制是獨立的,且RTSS線程優先級高于Windows線程,可直接訪問I/O設備。同時,RTSS支持通過共享內存、事件和信號量等實現與非實時進程的通訊[12]。

本系統中驅動程序用于完成硬件和控制軟件的數據和信息的交互。與常用Windows系統下的驅動程序[13-14]相比,RTX驅動程序是開放的,可以通過RTX函數直接訪問外部硬件,操作方便快捷。在RTX下,PCI設備和RTX基本內核位于驅動底層,RTX內核可以通過I/O和中斷方式與PCI設備進行數據交換[1],提高設備的實時性能,RTX定時精度可達0.1μs。RTX應用程序由Visual Studio建立,使用RTX Driver Wizard生成驅動程序框架,生成的文件類型是“rtss”。

驅動程序設計主要包括設備初始化、物理地址的映射、基本的控制操作以及檢測處理設備錯誤等。基于RTX驅動程序框圖如圖2所示。

圖2 基于RTX驅動程序框圖

2.2 IK220接口驅動程序設計

IK220卡是PCI總線形式計數卡,內部寄存器采用內部映射方式,板卡的制造商號和設備號分別為0X10B5和0X9050。目前HEIDENHAI公司只提供Windows下和LINUX下的軟件開發包,無法用于實時控制領域中的數據采集。本文通過研究IK220卡的采集原理,實現基于RTX的IK220接口驅動程序。

與其他板卡不同,IK220板卡上電后,需要下傳DSP固件代碼,開始啟動板卡操作。IK220具有16個16位寄存器,其中控制寄存器用于設置板卡工作模式,命令寄存器用于控制板卡、讀寫數據等操作,IK220通過上述寄存器與板上DSP處理器進行通訊,DSP根據指令再進行相應控制。基于RTX的IK220接口驅動程序流程圖如圖3所示。

圖3 IK220接口驅動程序流程圖

程序設計主要包含以下內容:

1)尋找匹配設備。首先尋找所有的PCI設備,通過設備號和制造商獲取PCI板卡的基地址,為對設備操作做準備。其中RtGetBusDataByOffset()函數可獲取PCI板卡配置空間[15]。

RtGetBusDataByOffset(PCIConfiguration,

uBusNum,

SlotNumber.u.AsULONG.//logical slot number

PciData,

uOffset,

PCI_COMMON_HDR_LENGTH);

2)將設備的物理地址映射為系統地址。驅動程序只有將設備物理地址轉換成系統映射地址,才可以實現對設備的操作。其中RtTranslateBusAddress()函數用來將PCI板卡寄存器基地址轉換為系統映射地址,RtMapMemory()函數的作用是將PCI板卡內存映射地址賦予指針變量,對板卡操作可通過該指針變量實現[10]。

RtTranslateBusAddress(PCIBus,BusNum,PortAdd,

&AddSpace,&uPortAdd);

BaseAddress=RtMapMemory(uPortAdd,4*1024,0);

3)設備基本操作,包括IK220初始化、IK220啟動及停止、讀寫寄存器、讀寫數據等。由于地址映射到I/O空間,可對設備直接進行操作。

*pData=*(PortBase[Axis]+Adr);

//Read word value from register to pData

*(PortBase[Axis]+Adr)=Data;

//Writes Data to Axis at Adr

3 單軸轉臺角位置實時采集結果

為了驗證基于RTX的IK220接口驅動程序的有效性,在單軸轉臺控制系統中進行角位置的多位置采集測試。手動轉動轉臺角度,若采集角位置結果與轉動角位置結果一致,則證明驅動程序各部分函數都能實現。

為了驗證角位置實時采集效果,需對轉臺進行角位置精度檢測以及轉臺動態性能檢測,在RTX實時系統中,設置定時精度為1 ms。角位置精度檢測方法參照GJB 1801-93《慣性技術測試設備主要性能試驗方法》中方法104《角位置測量試驗》,角位置精度檢測結果為±2″。轉臺動態性能檢測中,位置指令設置為幅值0.2°,頻率為1 Hz的正弦信號,位置指令和實際角位置采集結果如圖4所示,從圖4中可看出,實時角位置與指令結果一致,幅值誤差小于0.5%。

圖4 角位置指令與采集實時位置

以上檢測結果表明,本文設計的基于RTX的角度編碼器信號實時采集系統滿足對轉臺的實時控制要求,并且性能結果滿足實際工程需求。

4 結語

以慣性測試設備為應用對象,設計了基于RTX的IK220接口驅動程序,并成功應用于單軸轉臺控制系統,實現單軸轉臺基于RTX的角度編碼器信號實時采集,為實現單軸轉臺的位置和速率高精度控制奠定基礎。本文的設計方法可進一步應用于慣性測試設備控制系統的其他PCI接口板卡的實時驅動,從而提高了對慣性測試設備控制系統的控制性能。