利用RTSI總線(xiàn)實(shí)現運動(dòng)控制和數據采集的同步

　　1 引言

　　許多測試系統要求在連續運動(dòng)的同時(shí)能實(shí)時(shí)進(jìn)行數據采集。如果測試過(guò)程不連續，或者測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。為了提高測量精度，運動(dòng)控制和數據采集必須實(shí)現同步。目前，美國NI公司提供的PCI總線(xiàn)E系列數據采集卡和運動(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)數據采集處理的測試系統的要求。本文主要介紹如何利用RTSI總線(xiàn)編程實(shí)現運動(dòng)控制和數據采集之間的同步。

　　2 RTSI總線(xiàn)

　　RISI總線(xiàn)是實(shí)時(shí)系統集成總線(xiàn)，它是一種專(zhuān)用高速數字總線(xiàn)，專(zhuān)門(mén)提供NI產(chǎn)品(包括圖像采集和數據采集產(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的測量、圖像采集和運動(dòng)控制設備以及接口板卡之間靈活的同步關(guān)系。通過(guò)軟件設置可將其他觸發(fā)信號路由到RTSI總線(xiàn)上，也可以將RTSI總線(xiàn)信號路由到其分觸發(fā)信號線(xiàn)上作為觸發(fā)時(shí)鐘，實(shí)現l路信號驅動(dòng)多個(gè)設備，達到同步的目的。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)現幾個(gè)功能事件同步。RTSI總線(xiàn)的典型應用包括觸發(fā)圖像采集、基于運動(dòng)事件的數據采集測量、捕獲基于外部事件到運動(dòng)控制器的當前運動(dòng)位置等。

　　對于PCI總線(xiàn)E系列數據采集卡，有15種信號與RTSI總線(xiàn)相連，包括時(shí)基信號、數據采集時(shí)鐘、D/A輸出時(shí)鐘、板上通用計數器信號、外部PFI(可編程輸入)信號等，如圖1所示。

　　3 運動(dòng)控制與數據采集的同步

　　測試系統中采取的同步方式一般有二種：一種是運動(dòng)控制卡控制電機運動(dòng)到某個(gè)指定位置，數據采集卡能實(shí)時(shí)采集該位置上的數據，這種方式稱(chēng)為中斷；另一種同步方式是如果電機運動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)數據采集卡采集到滿(mǎn)足某種條件的信號，則需要記錄電機當前的運動(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

　　中斷分為絕對位置中斷、相對位置中斷及周期性位置中斷。絕對位置中斷是指當電機運動(dòng)到某絕對位置時(shí)運動(dòng)控制卡將產(chǎn)生外部中斷信號；相對位置中斷是指當電機的運動(dòng)位置相對于允許電機產(chǎn)生中斷時(shí)的位置之差滿(mǎn)足設定的條件時(shí)產(chǎn)生中斷信號；求模位置中斷是指每相對于某個(gè)設定的位置都將產(chǎn)生1個(gè)中斷信號。因此可以根據測試系統的不同需要決定采取什么樣的中斷方式。

　　3.2 同步的原理

　　當運動(dòng)控制卡控制電機運動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)，編碼器上返回的位置信號一旦符合設定的位置條件，將發(fā)出1個(gè)中斷信號。該信號可作為數據采集卡采集信號的觸發(fā)條件，使采集卡能實(shí)時(shí)采集所需數據。運動(dòng)控制卡和數據采集卡可以通過(guò)RTSI總線(xiàn)實(shí)現二者之間的同步。運動(dòng)控制卡產(chǎn)生的中斷信號通過(guò)內部電路傳送到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)外部電纜與數據采集卡的RTSI引腳相連。采集卡的RTSI引腳也可以通過(guò)內部電路與其控制信號(見(jiàn)圖1)相連，從而實(shí)現二者之間的同步。

　　當運動(dòng)控制卡控制電機運動(dòng)到某個(gè)指定位置時(shí)將產(chǎn)生中斷信號，該中斷輸出信號可連接到運動(dòng)控制卡的RTSI引腳，運動(dòng)控制卡的RTSI引腳與數據采集卡的RTSI引腳相連。而在采集卡內，RTSI引腳信號作為系統的掃描時(shí)鐘，與采樣時(shí)鐘信號相連，因此運動(dòng)控制卡每產(chǎn)生1個(gè)中斷信號，數據采集卡便進(jìn)行1次通道掃描，讀取各個(gè)傳感器上采集的數據。該數據將存放在設置的緩沖區中。而一旦緩沖區中的數據已滿(mǎn)，則通過(guò)多線(xiàn)程的方式顯示到屏幕上。這樣就實(shí)現了運動(dòng)控制和數據采集之間的同步。

　　4 編程實(shí)現

　　運動(dòng)控制與數據采集的同步控制流程如圖2所示。

　　筆者采用LabWindows/CVI軟件對RTSl總線(xiàn)、數據采集和運動(dòng)控制進(jìn)行編程，其函數庫由NI-DAQ和NI-Motion提供。其中NI-Motion函數庫可以將運動(dòng)控制與所有應用軟件相結合，并可通過(guò)數字觸發(fā)輸入或NI運動(dòng)控制卡上的斷點(diǎn)輸出，使運動(dòng)與測量硬件同步運行。RTSI總線(xiàn)則將這些觸發(fā)與中斷信號連接到其他卡上，此總線(xiàn)功能由軟件設定。通過(guò)“MeasurementAutomation Explorer”(MAX)設備管理工具，可以配置各設備的硬件屬性，為每個(gè)設備分配1個(gè)設備編號，在編程時(shí)作為查找設備的標識。下面是編程所需要的主要函數。

　　(1)連接中斷信號和RTSI總線(xiàn)信號函數

　　flex_select_signal(boardID,destination,source),其中boardlD為MAX分配的數據采集卡的ID號；destination目的信號,為RTSI某引腳，如NIMC_RT-SI[0..7]；source源信號，為某一中斷信號的名稱(chēng)，如NIMC_BREAKPOINT[1..4]。

　　(2)設置運動(dòng)參數和中斷信號模式函數

　　設置運動(dòng)速度函數flex_load_velocity(boardlD，axisOrVectorSpace，velocity，inputVector)，其中ax-isOrVectorSpace為選擇軸編號或空間坐標；in-putVector參數對脫離主機運行的程序有用，一般設成OXFF。

　　設置加速度/減速度函數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。

　　設置S-Curve時(shí)間函數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)間的整數倍。范圍為l～32 767。

　　設置運動(dòng)模式函數flex_set_op_mode(boardID,axisOrVectorSpace，operationMode)。

　　設置運動(dòng)的目標位置flex_load_target_pos(boardID，axis，targetPosition，inputVector)。

　　設置產(chǎn)生中斷的方式函數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，由運動(dòng)控制卡的信號決定。

　　(3)設置中斷信號產(chǎn)生位置和打開(kāi)中斷函數

　　設置中斷信號產(chǎn)生位置函數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flex_enable_breakpoint()。

　　(4)啟動(dòng)電機運動(dòng)函數

　　啟動(dòng)電機運動(dòng)函數flex_start(boardID，ax-isOrVectorSpace，axisOrVSMap),其中axisOrVSMap為可選擇單軸運動(dòng)或多軸同時(shí)運動(dòng)。

　　(5)檢查各種狀態(tài)函數

　　檢查運動(dòng)狀態(tài)，讀取運動(dòng)是否結束函數flex_check_move_complete_status()。檢測中斷狀態(tài)函數flex_read_axis_status_rtn0()。從通信狀態(tài)寄存器中讀取通信狀態(tài)函數flex_read_csr_rtn()。

　　5 結束語(yǔ)

　　利用RTSI可為各種測控系統應用提供基于硬件的高速同步能力，本文討論的這種基于RTSI的運動(dòng)控制和數據采集之間的同步方法采用Lab-Windows/CVI編程實(shí)現，可應用到在運動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集數據的測控系統中，能獲得很好的測量精度。