利用RTSI總線實現(xiàn)運動控制和數(shù)據(jù)采集之間同步

　　摘要：為了提高測量精度，許多測試系統(tǒng)要求在連續(xù)運動中實時同步進行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)同步工作原理，利用RTSI總線技術(shù)和LabWindows/CVl編程實現(xiàn)了運動控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步，實驗結(jié)果表明該方法在提高測試精度方面是有效的。
　　　　
　　1、引言
　　
　　許多測試系統(tǒng)要求在連續(xù)運動的同時能實時進行數(shù)據(jù)采集。如果測試過程不連續(xù)，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，運動控制和數(shù)據(jù)采集必須實現(xiàn)同步。目前，美國NI公司提供的PCI總線E系列數(shù)據(jù)采集卡和運動控制卡都嵌入了RTSI（Real-TimeSystemIntegration）總線，它可以滿足需要同步和實時數(shù)據(jù)采集處理的測試系統(tǒng)的要求。本文主要介紹如何利用RTSI總線編程實現(xiàn)運動控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步。
　　
　　2、RTSI總線
　　
　　RISI總線是實時系統(tǒng)集成總線，它是一種高速數(shù)字總線，專門提供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總線包括7根觸發(fā)線，用于創(chuàng)建NI的測量、圖像采集和運動控制設(shè)備以及接口板卡之間靈活的同步關(guān)系。通過軟件設(shè)置可將其他觸發(fā)信號路由到RTSI總線上，也可以將RTSI總線信號路由到其分觸發(fā)信號線上作為觸發(fā)時鐘，實現(xiàn)l路信號驅(qū)動多個設(shè)備，達到同步的目的。通過RTSI總線，可用1個公共的觸發(fā)或定時事件實現(xiàn)幾個功能事件同步。RTSI總線的典型應(yīng)用包括觸發(fā)圖像采集、基于運動事件的數(shù)據(jù)采集測量、捕獲基于外部事件到運動控制器的當(dāng)前運動位置等。
　　
　　對于PCI總線E系列數(shù)據(jù)采集卡，有15種信號與RTSI總線相連，包括時基信號、數(shù)據(jù)采集時鐘、D/A輸出時鐘、板上通用計數(shù)器信號、外部PFI（可編程輸入）信號等，如圖1所示。　　
　　3、運動控制與數(shù)據(jù)采集的同步
　　
　　測試系統(tǒng)中采取的同步方式一般有二種：一種是運動控制卡控制電機運動到某個位置，數(shù)據(jù)采集卡能實時采集該位置上的數(shù)據(jù)，這種方式稱為中斷;另一種同步方式是如果電機運動到某個位置時數(shù)據(jù)采集卡采集到滿足某種條件的信號，則需要記錄電機當(dāng)前的運動位置，這種方式稱為捕獲。本文主要討論中斷同步方式。
　　
　　3.1中斷方式
　　
　　中斷分為位置中斷、相對位置中斷及周期性位置中斷。位置中斷是指當(dāng)電機運動到某位置時運動控制卡將產(chǎn)生外部中斷信號;相對位置中斷是指當(dāng)電機的運動位置相對于允許電機產(chǎn)生中斷時的位置之差滿足設(shè)定的條件時產(chǎn)生中斷信號;求模位置中斷是指每相對于某個設(shè)定的位置都將產(chǎn)生1個中斷信號。因此可以根據(jù)測試系統(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)運動控制卡控制電機運動到某個位置時，編碼器上返回的位置信號一旦符合設(shè)定的位置條件，將發(fā)出1個中斷信號。該信號可作為數(shù)據(jù)采集卡采集信號的觸發(fā)條件，使采集卡能實時采集所需數(shù)據(jù)。運動控制卡和數(shù)據(jù)采集卡可以通過RTSI總線實現(xiàn)二者之間的同步。運動控制卡產(chǎn)生的中斷信號通過內(nèi)部電路傳送到RTSI輸出引腳，目前RTSI輸出引腳主要有7個（RTSIO-RTSl6）。RPSI輸出引腳可通過外部電纜與數(shù)據(jù)采集卡的RTSI引腳相連。采集卡的RTSI引腳也可以通過內(nèi)部電路與其控制信號（見圖1）相連，從而實現(xiàn)二者之間的同步。
　　
　　當(dāng)運動控制卡控制電機運動到某個位置時將產(chǎn)生中斷信號，該中斷輸出信號可連接到運動控制卡的RTSI引腳，運動控制卡的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引腳信號作為系統(tǒng)的掃描時鐘，與采樣時鐘信號相連，因此運動控制卡每產(chǎn)生1個中斷信號，數(shù)據(jù)采集卡便進行1次通道掃描，讀取各個傳感器上采集的數(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，則通過多線程的方式顯示到屏幕上。這樣就實現(xiàn)了運動控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步。
　　
　　4、編程實現(xiàn)
　　
　　運動控制與數(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RTSl總線、數(shù)據(jù)采集和運動控制進行編程，其函數(shù)庫由NI-DAQ和NI-Motion提供。其中NI-Motion函數(shù)庫可以將運動控制與所有應(yīng)用軟件相結(jié)合，并可通過數(shù)字觸發(fā)輸入或NI運動控制卡上的斷點輸出，使運動與測量硬件同步運行。RTSI總線則將這些觸發(fā)與中斷信號連接到其他卡上，此總線功能由軟件設(shè)定。通過“Measurement&AutomationExplorer”（MAX）設(shè)備管理工具，可以配置各設(shè)備的硬件屬性，為每個設(shè)備分配1個設(shè)備編號，在編程時作為查找設(shè)備的標(biāo)識。下面是編程所需要的主要函數(shù)。
　　
　　（1）連接中斷信號和RTSI總線信號函數(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;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，如NIMC_BREAKPOINT[1..4]。
　　
　　（2）設(shè)置運動參數(shù)和中斷信號模式函數(shù)
　　
　　設(shè)置運動速度函數(shù)flex_load_velocity（boardlD，axisOrVectorSpace，velocity，inputVector），其中ax-isOrVectorSpace為選擇軸編號或空間坐標(biāo);in-putVector參數(shù)對脫離主機運行的程序有用，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、減速度還是同時加載。
　　
　　設(shè)置S-Curve時間函數(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時的時間，單位為采樣時間的整數(shù)倍。范圍為l～32767。
　　
　　設(shè)置運動模式函數(shù)flex_set_op_mode（boardID,axisOrVectorSpace，operationMode）。
　　
　　設(shè)置運動的目標(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為中斷時電平的高低，operation為選擇單點中斷方式或緩沖中斷方式，由運動控制卡的信號決定。
　　
　　（3）設(shè)置中斷信號產(chǎn)生位置和打開中斷函數(shù)
　　
　　設(shè)置中斷信號產(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）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。打開中斷函數(shù)flex_enable_breakpoint（）。
　　
　　（4）啟動電機運動函數(shù)
　　
　　啟動電機運動函數(shù)flex_start（boardID，ax-isOrVectorSpace，axisOrVSMap）,其中axisOrVSMap為可選擇單軸運動或多軸同時運動。
　　
　　（5）檢查各種狀態(tài)函數(shù)
　　
　　檢查運動狀態(tài)，讀取運動是否結(jié)束函數(shù)flex_check_move_complete_status（）。檢測中斷狀態(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
　　
　　利用RTSI可為各種測控系統(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的運動控制和數(shù)據(jù)采集之間的同步方法采用Lab-Windows/CVI編程實現(xiàn)，可應(yīng)用到在運動過程中實時采集數(shù)據(jù)的測控系統(tǒng)中，能獲得很好的測量精度。