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

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-Time System Integration)總線，它可以滿足需要精確同步和實時數(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，它是一種專用高速數(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指定位置，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(dāng)電機運動到某絕對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指定位置時將產(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“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～32 767。
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。