段志國(guó)，趙 巖，李 軍，周劍波

(1.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094； 2.人民解放軍92941部隊(duì)94分隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125001)

基于嵌入式的伺服綜合測(cè)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

段志國(guó)1，趙 巖2，李 軍1，周劍波1

(1.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094； 2.人民解放軍92941部隊(duì)94分隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125001)

基于嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套集控制、測(cè)試和分析于一體的伺服綜合測(cè)控平臺(tái)；該平臺(tái)采用集散式結(jié)構(gòu)，在硬件上提供了多種通信與測(cè)控接口，軟件上以Linux嵌入式操作系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提供了友好的人機(jī)交互界面；可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況工作在便攜的單機(jī)模式或者功能完備的聯(lián)機(jī)模式；平臺(tái)同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口，有很好的通用性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)；經(jīng)測(cè)試，該平臺(tái)操作便捷，運(yùn)行穩(wěn)定，可用于多種類伺服系統(tǒng)的測(cè)控分析。

嵌入式；伺服測(cè)控系統(tǒng)；集散式結(jié)構(gòu)；通用性

0 引言

伺服技術(shù)即高精度的跟蹤與定位技術(shù)，隨著伺服技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各行業(yè)對(duì)伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。在大力發(fā)展新的伺服產(chǎn)品研制和改進(jìn)生產(chǎn)工藝的同時(shí)，加強(qiáng)伺服系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的研究和檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)尤為重要[1]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，運(yùn)用嵌入式技術(shù)，研制出一套適用于多種類伺服系統(tǒng)測(cè)控分析的伺服綜合測(cè)控平臺(tái)。平臺(tái)具有模塊化、便攜式、通用性等特點(diǎn)，為伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能分析和參數(shù)測(cè)試提供了完整的檢測(cè)手段和測(cè)控方案。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

1)對(duì)工作方式可切換的功能需求：考慮到在場(chǎng)外對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控分析的情況，為了最大化的發(fā)揮平臺(tái)便攜的特性，設(shè)計(jì)了一種單機(jī)模式：將工控機(jī)從系統(tǒng)中去除，將原來(lái)工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行“裁剪”放到下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這樣，功能上的削弱換來(lái)了便攜性的提高和更高穩(wěn)定可靠的信號(hào)發(fā)送與數(shù)據(jù)采集。而具有完備性功能的完整平臺(tái)運(yùn)行時(shí)即被稱為聯(lián)機(jī)模式。

2)對(duì)典型信號(hào)發(fā)生器的功能需求：對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的目的，就是為了得到伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括系統(tǒng)的當(dāng)前誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)性能，這些指標(biāo)能夠從各個(gè)方面反應(yīng)伺服系統(tǒng)的性能。為了得到這些指標(biāo)，平臺(tái)需要產(chǎn)生幾種典型信號(hào)，用于激勵(lì)伺服系統(tǒng)，即階躍信號(hào)、等速信號(hào)和正弦信號(hào)這3種典型信號(hào)。

3)對(duì)數(shù)據(jù)分析功能的需求：平臺(tái)的最終目的是分析伺服系統(tǒng)的性能，因此對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是一項(xiàng)核心功能。數(shù)據(jù)分析需要在兩個(gè)階段體現(xiàn)，實(shí)時(shí)測(cè)試階段的分析功能以及測(cè)試結(jié)束之后靜態(tài)分析的分析功能。

4)對(duì)人機(jī)交互的功能需求：除了必備的測(cè)試分析數(shù)據(jù)這一核心功能，平臺(tái)還需要具備良好的人機(jī)交互功能。所謂人機(jī)交互，也就是方便的數(shù)據(jù)輸入途徑和友好的界面顯示。

5)可拓展性需求：本平臺(tái)作為一個(gè)綜合測(cè)控平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)了多測(cè)試信號(hào)的前提下，還需要適用于多種伺服系統(tǒng)。為此，在硬件上提供了多種測(cè)試接口；在上位機(jī)軟件上為網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)預(yù)留了測(cè)控和分析功能。

1.2 總框架設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，將要研制的是一臺(tái)具有聯(lián)機(jī)通信功能、人機(jī)交互友好，并且能夠顯示、處理、記錄和分析數(shù)據(jù)的伺服系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)。綜合考慮，平臺(tái)采用“上位機(jī)-下位機(jī)”的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，將具有豐富、靈活的測(cè)試控制資源的嵌入式系統(tǒng)作為下位機(jī)，將具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的工控機(jī)作為上位機(jī)[2]。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)指令信號(hào)的轉(zhuǎn)換，采集伺服系統(tǒng)的架位信息并與上位機(jī)通信。而上位機(jī)用于信號(hào)發(fā)生，實(shí)時(shí)曲線顯示，參數(shù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析，平臺(tái)總框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總框架設(shè)計(jì)

2 平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)主要為伺服測(cè)控下位機(jī)的設(shè)計(jì)，下位機(jī)共有3個(gè)測(cè)控箱，包括一個(gè)方位伺服測(cè)控箱、一個(gè)俯仰伺服測(cè)控箱和一個(gè)邏輯采集箱。方位伺服測(cè)控箱和俯仰伺服測(cè)控箱是兩個(gè)完全相同的箱子，只是針對(duì)常見的兩種具有方位軸和俯仰軸的伺服系統(tǒng)。而邏輯采集箱主要用來(lái)采集伺服系統(tǒng)中的模擬傳感器信號(hào)和邏輯傳感器信號(hào)。

2.1 主控板的設(shè)計(jì)與選型

主控板作為伺服測(cè)控箱的核心，需要同時(shí)具有數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通訊，提供人機(jī)交互界面等功能，這些功能都由主控板上的CPU控制實(shí)現(xiàn)，因此，主控板需要用一款功能強(qiáng)大的處理器來(lái)設(shè)計(jì)。

S3C6410是基于ARM11版本內(nèi)核的低成本、低功耗、高性能微處理器，廣泛用于工控產(chǎn)品，移動(dòng)設(shè)備及其他便攜式應(yīng)用。且S3C6410的片上資源非常豐富、具有MMU單元以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)且能夠支持較大的運(yùn)行內(nèi)存和外部存儲(chǔ)空間，非常適合作為下位機(jī)測(cè)控箱主控板的控制器。

2.2 從板的設(shè)計(jì)與選型

平臺(tái)的方位與俯仰測(cè)控箱各有5塊從板，分別為數(shù)字IO收發(fā)板、數(shù)字轉(zhuǎn)自整角機(jī)發(fā)送板、自整角機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)字采集板、旋變轉(zhuǎn)數(shù)字采集板以及角差量信號(hào)采集板；邏輯采集箱有2塊從板，分別為AD采集板和IO采集板。其中伺服測(cè)控箱的數(shù)字收發(fā)IO板和邏輯采集箱的IO采集板對(duì)于數(shù)據(jù)的處理沒有太過(guò)復(fù)雜的需求，因此不需要CPU控制。而其他從板均需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字量和模擬量之間的轉(zhuǎn)換、粗精組合等較多的運(yùn)算處理，需要獨(dú)立工作的CPU輔助主控板工作。這樣可以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的性能，且降低板與板之間的依賴關(guān)系，方便開發(fā)調(diào)試。

MSP430F149是TI公司推出的一款主打低功耗的16位RISC微處理器。其操作簡(jiǎn)單，在低功耗的同時(shí)，也具有強(qiáng)大的運(yùn)算性能，其內(nèi)部集成了16位多功能硬件乘法器，相較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)運(yùn)算能力有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足從板的功能需求。

3 嵌入式操作系統(tǒng)的搭建

隨著測(cè)控系統(tǒng)所要完成的工作越來(lái)越復(fù)雜，程序越來(lái)越龐大，需要管理的外設(shè)越來(lái)越多，只有擁有嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)、開發(fā)重點(diǎn)才能由原來(lái)硬件的調(diào)試、軟件的DEBUG轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)性能的提高、智能化軟件的編寫。此外，只有在一個(gè)完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)出來(lái)的應(yīng)用程序，才可能具有良好的可移植性，才可能被重復(fù)利用。嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)正是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的唯一途徑[3]。

目前絕大多數(shù)商用嵌入式系統(tǒng)出于商業(yè)利益的考慮，都是要收費(fèi)的且不開放源碼，而Linux作為一款免費(fèi)的開源操作系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以獲取并修改Linux的源代碼，開發(fā)自己的產(chǎn)品；②Linux容易建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境；③內(nèi)核完全開放，可以設(shè)計(jì)和開發(fā)出真正的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)；對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在Linux中也容易得到實(shí)現(xiàn)；④可移植性好[4]。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)是具有一定的層次性，如圖2所示，應(yīng)按其結(jié)構(gòu)自下而上逐層進(jìn)行[5]。

圖2 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖

3.1 Linux系統(tǒng)的移植

嵌入式Linux操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是將Linux內(nèi)核里在ARM架構(gòu)下用不上的功能或驅(qū)動(dòng)去掉，使操作系統(tǒng)占用內(nèi)存更小，啟動(dòng)速度更快，提高Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，使之變成一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。裁剪完成后，將之移植到ARM11核中即可。

3.2 應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的搭建

搭建好了嵌入式操作系統(tǒng)，下面就要進(jìn)行依托于操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)應(yīng)用程序和UI框架，它包括跨平臺(tái)類庫(kù)、集成開發(fā)工具和跨平臺(tái)IDE。使用Qt只需一次性開發(fā)應(yīng)用程序，無(wú)須重新編寫源代碼，便可在不同桌面和嵌入式操作系統(tǒng)部署這些應(yīng)用程序。它提供了豐富的窗口部件集。具有面向?qū)ο蟆⒁子跀U(kuò)展、真正的組件編程等特點(diǎn)[6]。在本系統(tǒng)中，采用Qt4.8.5的版本進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。

3.3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序是介于操作系統(tǒng)和硬件電路之間的一類程序，Linux系統(tǒng)規(guī)定了一系列的系統(tǒng)接口，驅(qū)動(dòng)程序就是為特定的硬件提供這些系統(tǒng)接口的具體底層實(shí)現(xiàn)。因此，驅(qū)動(dòng)程序也是最終應(yīng)用軟件得以運(yùn)行的基礎(chǔ)。

在本系統(tǒng)中，用到的大多數(shù)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)都已經(jīng)在內(nèi)核中提供，只需要在內(nèi)核配置過(guò)程中添加即可使用。但是并行數(shù)據(jù)總線是本設(shè)計(jì)專有的硬件電路，需要自行設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序。另外，內(nèi)核中自帶的觸摸屏驅(qū)動(dòng)在本系統(tǒng)上的使用效果并不是特別好，本設(shè)計(jì)在原驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上重新做了設(shè)計(jì)。

4 平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)兼有測(cè)試和控制的功能，且伺服系統(tǒng)控制精度要求高，各項(xiàng)性能復(fù)雜，測(cè)試指標(biāo)繁多，故需要一個(gè)完備的軟件系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)度，且該軟件系統(tǒng)需要一個(gè)可操作性強(qiáng)的人機(jī)交互界面以便適應(yīng)不同的操作人群。

前文已述，本系統(tǒng)有聯(lián)機(jī)和單機(jī)兩種工作模式，對(duì)應(yīng)兩套不同的硬件架構(gòu)，相應(yīng)的也對(duì)應(yīng)著兩套不同的軟件架構(gòu)，但是就主要功能的實(shí)現(xiàn)而言，它們是大同小異的，軟件架構(gòu)如圖3所示。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括以S3C6410為CPU的ARM主控板軟件設(shè)計(jì)以及各從板子功能程序設(shè)計(jì)。伺服測(cè)控平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)為模塊化結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候也是按照模塊化的方式一步一步的構(gòu)建軟件系統(tǒng)。

4.1.1 主控板軟件設(shè)計(jì)

Linux系統(tǒng)的移植、應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的搭建和驅(qū)動(dòng)程序的編寫完成后，下面就是要進(jìn)行依托于這些環(huán)境的應(yīng)用程序的開發(fā)，完成系統(tǒng)的功能。根據(jù)前文對(duì)平臺(tái)的需求分析，可以確定主控板的軟件功能如下：

1)可以選擇工作模式為聯(lián)機(jī)模式或單機(jī)模式；

2)可以選擇測(cè)試儀需要測(cè)試的伺服系統(tǒng)接口類型；

3)3種典型測(cè)試波形可選，且參數(shù)可調(diào)；

4)輸入?yún)?shù)及顯示數(shù)據(jù)的計(jì)量單位可以選擇；

5)實(shí)時(shí)顯示測(cè)試曲線及相關(guān)參數(shù)，且測(cè)試結(jié)束后可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回看分析。

總的來(lái)說(shuō)，可以分為人機(jī)交互模塊軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理模塊軟件設(shè)計(jì)以及通信模塊軟件設(shè)計(jì)，軟件的總體流程圖如圖4所示。

圖4 主控板軟件流程圖

在主控板的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)時(shí)性是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。實(shí)時(shí)任務(wù)一般可以分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)兩種類型。硬實(shí)時(shí)任務(wù)對(duì)系統(tǒng)要求可確定性強(qiáng)，具有明確的實(shí)時(shí)約束，在某個(gè)限定的時(shí)刻之前不能完成任務(wù)將造成災(zāi)難性的后果；而軟實(shí)時(shí)任務(wù)對(duì)時(shí)間敏感, 但偶爾發(fā)生不能滿足嚴(yán)格實(shí)時(shí)要求的情況也是允許的[7]。顯然，對(duì)伺服系統(tǒng)的控制是一個(gè)嚴(yán)格的硬實(shí)時(shí)任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)Linux是一個(gè)多任務(wù)多用戶的分時(shí)操作系統(tǒng)，盡管系統(tǒng)通過(guò)為實(shí)時(shí)任務(wù)賦予較高的優(yōu)先級(jí)使得系統(tǒng)具有一定的實(shí)時(shí)性，但對(duì)于大多數(shù)時(shí)限要求較高的實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其對(duì)于時(shí)間約束的要求。在本系統(tǒng)中，已經(jīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)行了裁剪提高了其實(shí)時(shí)性，但考慮到本系統(tǒng)對(duì)信號(hào)發(fā)送與數(shù)據(jù)采集的要求最小要達(dá)到1 ms的周期，為了進(jìn)一步提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用了如下措施：

1)雖然Linux不是硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但是其調(diào)度策略提供了一種軟實(shí)時(shí)的進(jìn)程調(diào)度方法?？梢灾付ㄟM(jìn)程為實(shí)時(shí)進(jìn)程并設(shè)置高優(yōu)先級(jí)，這樣內(nèi)核就會(huì)盡力調(diào)度該進(jìn)程，使得實(shí)時(shí)進(jìn)程相比于普通進(jìn)程更快的被調(diào)度，在本系統(tǒng)中，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的進(jìn)程應(yīng)被置于最高的優(yōu)先級(jí)。

2)細(xì)化時(shí)鐘粒度(時(shí)間片)：Linux的調(diào)度策略簡(jiǎn)單講就是優(yōu)先級(jí)加上時(shí)間片，Linux系統(tǒng)的默認(rèn)時(shí)間片為10 ms，這顯然是不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度的要求，因此需要細(xì)化時(shí)間片提高精度，具體方法是修改Linux中Hz宏，將默認(rèn)的100改成100 000，這樣，時(shí)間片的精度就可以達(dá)到10 μs。

4.1.2 從板軟件設(shè)計(jì)

各從板卡是系統(tǒng)開發(fā)最底層的部分，向下直接通過(guò)接口與伺服系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，向上通過(guò)數(shù)據(jù)總線和控制總線與主控板相連，主要的功能就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)與轉(zhuǎn)換。除了伺服測(cè)控箱的數(shù)字IO板和邏輯采集箱的IO采集板，其他的板卡均有自己獨(dú)立的CPU，用于控制板卡獨(dú)立的工作邏輯。

從板卡可以分為兩類：發(fā)送板卡和接收板卡，它們的程序?qū)崿F(xiàn)不一，但是從功能上來(lái)說(shuō)，他們是有共性的，對(duì)于數(shù)字型伺服系統(tǒng)，發(fā)送板卡直接將系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)發(fā)給伺服系統(tǒng)，接收板卡直接采集伺服系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理；對(duì)于模擬型伺服系統(tǒng)，發(fā)送板卡是將系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成作用于伺服系統(tǒng)的模擬信號(hào)，而接收板卡是將從伺服系統(tǒng)采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以處理的數(shù)字信號(hào)，只不過(guò)數(shù)字量會(huì)因?yàn)榫炔煌鴮?dǎo)致位數(shù)不同，而模擬量會(huì)因?yàn)榭刂茖?duì)象不同而導(dǎo)致形式、大小不同。所以說(shuō)，從功能角度出發(fā)，各發(fā)送板卡的軟件框架是相同的，各接收板卡軟件框架也是相同的。而基于框架的軟件設(shè)計(jì)思想不僅思路明確，減少出錯(cuò)的概率，也會(huì)大大提高其后期維護(hù)的便捷性。發(fā)送板卡與接收板卡的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 從板軟件流程圖

在各從板的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別要注意的一個(gè)問(wèn)題就是轉(zhuǎn)換速度問(wèn)題。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的最小采樣周期最小要達(dá)到1 ms，所以說(shuō)從板卡的功能實(shí)現(xiàn)一定要快，如果某塊從板的子功能實(shí)現(xiàn)需要2 ms，那么1 ms的采樣周期也就無(wú)從談起了。所以，在進(jìn)行從板軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)于發(fā)送板卡，我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，盡量避免運(yùn)用除法運(yùn)算，因?yàn)楦鶕?jù)測(cè)試，430對(duì)于除法的運(yùn)算是相當(dāng)耗時(shí)的，對(duì)于不可避免的除法運(yùn)算，采取的措施是用“查表法”代替。而對(duì)于接收板卡，設(shè)計(jì)思路是：不管本板有沒有被選中，都要進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)保存，時(shí)刻將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，這樣，一旦從控制總線傳來(lái)了片選信號(hào)，即產(chǎn)生外部中斷，數(shù)據(jù)立刻送上數(shù)據(jù)總線，這樣就大大提高了傳輸效率。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 伺服測(cè)控上位機(jī)

工控機(jī)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：可靠性好、實(shí)時(shí)性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、輸入和輸出模塊配套好、通信功能強(qiáng)[8]，另外還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，故在其上開發(fā)基于Windows系統(tǒng)和MFC庫(kù)的上位機(jī)綜合測(cè)控軟件。綜合測(cè)控軟件的是對(duì)兩臺(tái)伺服測(cè)控箱和邏輯采集箱進(jìn)行通信與控制，使用戶可以通過(guò)一臺(tái)設(shè)備就能夠給多個(gè)伺服系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)并觀測(cè)它們的測(cè)試數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)軟件同樣采用模塊模塊化設(shè)計(jì)，主要包括參數(shù)配置模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、UI顯示模塊、通信監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和打印模塊7個(gè)模塊，通過(guò)這些模塊的配合，對(duì)伺服進(jìn)行測(cè)試與分析。

另外，為了提高本系統(tǒng)的“適應(yīng)力”，軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口，即將網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)接入本系統(tǒng)的伺服測(cè)控專用網(wǎng)絡(luò)與綜合測(cè)控上位機(jī)對(duì)接，即可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)的測(cè)控分析。

4.2.2 通信

為了兼顧下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信距離以及通信速率，兩者之間采用CAN總線通信方式。CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)[9]。本平臺(tái)上位工控機(jī)采用研華PCI-1680板卡的九針通信口，其傳輸速率達(dá)到1 Mbps，完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信速率的要求。

在網(wǎng)絡(luò)通信中，和TCP相比，UDP沒有頻繁的確認(rèn)、重傳機(jī)制，在傳輸過(guò)程中不關(guān)注網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，節(jié)省了大量的網(wǎng)絡(luò)資源，能有效的提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，滿足綜合測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，故選用UDP作為綜合測(cè)控上位機(jī)與網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)之間的通信方式。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的聯(lián)合調(diào)試與測(cè)試，單機(jī)模式和聯(lián)機(jī)模式下均能正常工作。平臺(tái)的控制精度達(dá)到0.1 mrad，模擬測(cè)試精度達(dá)到0.1 mrad，數(shù)字測(cè)試精度達(dá)到0.05 mrad，滿足絕大多數(shù)伺服系統(tǒng)的測(cè)控要求。到目前為止，平臺(tái)共拷機(jī)260個(gè)小時(shí)，穩(wěn)定無(wú)故障。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)的多種組合方式均能夠完成相應(yīng)的測(cè)控任務(wù)，具有較高的測(cè)控精度和穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用嵌入式的軟硬件技術(shù)設(shè)計(jì)了一套完備的伺服測(cè)控系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和一些難點(diǎn)問(wèn)題，并提出了解決方案，同時(shí)也介紹了與一般的伺服測(cè)控系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)特色。集散式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于集中管理和分散控制。單機(jī)模式能夠滿足場(chǎng)外便攜性的需求，聯(lián)機(jī)模式能夠?qū)?shù)據(jù)分析的能力提高到最大。同時(shí)系統(tǒng)在軟硬件上的拓展接口使本平臺(tái)真正的成為一個(gè)綜合測(cè)控平臺(tái)。

[1] 李茂森,李思遠(yuǎn). 伺服分析與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].伺服控制,2010(3):91-96.

[2] 程治新,廖學(xué)兵,黃林昊,等. 基于ARM7的自行火炮火控系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(12):2464-2467.

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Design of Integrated Testing and Control Platform for Servo System Based on Embedded Technology

Duan Zhiguo1, Zhao Yan2, Li Jun1, Zhou Jianbo1

(1.School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China;2.Unit 92941 of PLA,Huludao 125001,China)

Based on the embedded technology,a set of integrated testing and control platform which includes the functions of control,test and analysis is designed for servo system.The platform is designed with the distributed structure.In terms of hardware,it provides multiple communication and testing ports. In terms of software, it based on the Linux embedded operating system and Windows system,providing friendly human-computer interaction interface.The platform can work in the stand-alone mode which is portable or work in the combined mode which has the complete functions according to the different environment.The platform also provides the network interface for the network servo system.So,the platform has the advantages of good versatility and expansibility.According to the test,the platform can be operated conveniently and running stably,and it can be used for the analysis and control of many kinds of servo systems.

embedded; servo system; distributed structure; versatility

2017-01-18；

2017-02-21。

段志國(guó)(1992-)，男，江蘇句容人，碩士研究生，主要從事嵌入式伺服系統(tǒng)方向的研究。

李 軍(1970-)，男，博士，教授，主要從事伺服系統(tǒng)及其相關(guān)測(cè)控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0051-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.013

TP206.1

A