EPICS下基于ARM處理器的電機(jī)控制系統(tǒng)

黃 輝 黃躍峰 李勇平 尹聰聰 賈文紅

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)線站電機(jī)控制系統(tǒng)在EPICS環(huán)境下開發(fā)而成，由運(yùn)行 VxWorks操作系統(tǒng)的MVME5500單板機(jī)加上MAXv8000電機(jī)控制器完成對(duì)電機(jī)的控制。其性能優(yōu)良，但VxWorks價(jià)格昂貴、VME機(jī)箱占用空間較大。本文提出一種由運(yùn)行Linux的S3C2440計(jì)算機(jī)(ARM9內(nèi)核)和MAXnet電機(jī)控制器組成的全新電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已能正常工作。

1 總體結(jié)構(gòu)

EPICS為美國(guó)Argonne和Los Alamos等實(shí)驗(yàn)室為大型物理和工業(yè)裝置聯(lián)合開發(fā)的分布式控制軟件工具，基于標(biāo)準(zhǔn)模型的Server/Client模式，具有結(jié)構(gòu)靈活、易于擴(kuò)展、完全開放源代碼等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際大型光源和對(duì)撞機(jī)控制系統(tǒng)的主流軟件開發(fā)工具[1]。基于ARM(Advanced RISC Machine)處理器的電機(jī)控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分：(1) OPI(Operator Interface)：運(yùn)行Linux或Windows操作系統(tǒng)的中控電腦或Unix工作站，通過使用EPICS提供的MEDM或EDM設(shè)計(jì)的人機(jī)界面監(jiān)控各種控制過程，可在同一臺(tái)PC機(jī)上對(duì)多個(gè)IOC的運(yùn)行狀況實(shí)行監(jiān)控；(2) IOC：由基于ARM架構(gòu)并安裝Linux操作系統(tǒng)的S3C2440計(jì)算機(jī)和運(yùn)行在其中的EIPCS base核心程序iocCore構(gòu)成，核心任務(wù)是通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制MAXnet電機(jī)控制器，并把相關(guān)信息以分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)；(3) 設(shè)備控制層：選用美國(guó)Oregon Micro Systems公司的MAXnet電機(jī)控制器，可實(shí)現(xiàn)5路步進(jìn)/伺服電機(jī)的異步或同步驅(qū)動(dòng)，不依賴VME總線，且提供網(wǎng)口和串口進(jìn)行通信，適用范圍較大并可降低成本。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用SLS20**系列。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為OPI層、IOC層和設(shè)備控制層(圖1，標(biāo)示黑色部分由本組研制)。通過EPICS系統(tǒng)的Channel Access協(xié)議，IOC響應(yīng)來自O(shè)PI、IOC本身和網(wǎng)絡(luò)上其他IOC的數(shù)據(jù)請(qǐng)求與控制命令[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為Red Hat Linux 9，base3-14-9，Extension，motor，asyn。Extension提供了多種開發(fā)應(yīng)用軟件，包括人機(jī)圖形界面開發(fā)工具EDM。Motor軟件包提供了motor記錄，相關(guān)的記錄支持、設(shè)備支持和一些硬件驅(qū)動(dòng)支持等。asyn用于建立網(wǎng)口設(shè)備支持模塊，實(shí)現(xiàn)IOC中的數(shù)據(jù)庫(kù)與電機(jī)控制器MAXnet間的通信。

2.1 OPI控制臺(tái)軟件

OPI由EPICS提供的EDM進(jìn)行開發(fā)，可顯示任意record中任何感興趣的域，只需在界面上選定一小塊，輸入域的信息即可實(shí)現(xiàn)，圖2為操作界面的一個(gè)示例。

2.2 IOC系統(tǒng)

IOC系統(tǒng)的軟件包括Channel Access、Database Access、IOC Database、Motor Record Support Module、MAXnet device & driver Module和IP Port Support Module，其中IOC Database須在現(xiàn)有記錄的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)需要改動(dòng)，MAXnet device & driver Module須自行編寫，IP Port Support Module借用asyn軟件包來實(shí)現(xiàn)，其他部分則基本無需改動(dòng)。

Motor軟件包提供了motor記錄，并定義了多個(gè)域，涵蓋了電機(jī)控制中的主要信息。最常見的為VELO(運(yùn)行速度)、VMAX(最大速度)、VBAS(起跳速度)、ACCL(加速度)、DIR(轉(zhuǎn)動(dòng)方向)等[3]。選擇所需的域，并賦予特定值，啟動(dòng)IOC時(shí)載入記錄，便完成了IOC Database的工作。

圖1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of system software.

圖2 OPI界面示例Fig.2 Example of OPI.

MAXnet device & driver Module部分是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 MAXnet模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of MAXnet Module.

MotordevCom是MotorRecord調(diào)用設(shè)備層的通用接口，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)用具體設(shè)備的設(shè)備支持程序 devMAXnet。devMAXnet中定義的 motor_dset類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——devOmsMAXnet是數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和驅(qū)動(dòng)程序之間的接口。

drvMAXnet的主要工作如下：(1) 在系統(tǒng)中為MAXnet的各種狀態(tài)和運(yùn)行信息申請(qǐng)存儲(chǔ)空間；(2)根據(jù)具體需求設(shè)定MAXnet的工作模式；(3) 把記錄中關(guān)于方位、速度等控制信息轉(zhuǎn)換為MAXnet的控制指令發(fā)送給設(shè)備；(4) 監(jiān)控MAXnet運(yùn)行并返回控制信息到記錄，處理各種異常情況。

當(dāng)狀態(tài)標(biāo)記被設(shè)置時(shí)，MAXnet會(huì)異步發(fā)送標(biāo)記以通知主機(jī)。標(biāo)記通知字符串的格式為“%000 SSSSSSSS”，其中“%”意味著該串為數(shù)字流，“000”表示該數(shù)字流包含狀態(tài)標(biāo)記信息，八位ASCII碼代表狀態(tài)信息。由于此特征，需在drvMAXnet中的接收函數(shù)中增加對(duì)命令解析的處理。

drvMAXnet的程序架構(gòu)參照與 MAXnet同為OMS(Oregon Micro Systems)公司生產(chǎn)的MAXv和PC68電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)代碼。由于PC68使用串口通信，MAXv與MAXnet的指令最為接近，因此，PC68的數(shù)據(jù)處理方式與MAXnet的指令翻譯過程對(duì)drvMAXnet的開發(fā)有很大的參考價(jià)值。

MAXnet的設(shè)備應(yīng)用程序使用了網(wǎng)口，需要IP設(shè)備的驅(qū)動(dòng)支持模塊。EPICS中的asyn軟件包提供的asynDriver(asynchronous driver support)可用于被控設(shè)備與低端驅(qū)動(dòng)層的接口連接，使設(shè)備支持模塊的工作變得更容易[4]。此外，asyn軟件包中提供的asyncomRecord可方便地用來調(diào)試網(wǎng)口[5]。

在一臺(tái)Linux主機(jī)上完成了安裝EPICS base包和asyn軟件包、編譯MAXnet device & driver 程序和定義motor記錄后，啟動(dòng)IOC還需要編寫適當(dāng)?shù)膯?dòng)腳本。

經(jīng)上述步驟，主機(jī)上建立IOC的工作基本完成，本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在嵌入式目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行IOC和電機(jī)控制程序。首先在一臺(tái)Linux主機(jī)上安裝Linux-arm的交叉編譯器，對(duì)將要下載到ARM開發(fā)板上的內(nèi)核進(jìn)行裁剪，減小占用空間，編譯內(nèi)核后下載到開發(fā)板中。用主機(jī)上成功安裝的 EPICS base包以及motor、asyn等支持包交叉編譯出開發(fā)板上可運(yùn)行的IOC程序，在這個(gè)過程中，用NFS方式mount主機(jī)的根文件系統(tǒng)會(huì)對(duì)調(diào)試程序提供很大的便利，省去很多下載工作。程序調(diào)試成功后通過 ftp方式把程序、數(shù)據(jù)庫(kù)和啟動(dòng)腳本下載到目標(biāo)機(jī)，修改開發(fā)板的開機(jī)配置文件使之自動(dòng)運(yùn)行 IOC，完成了 ARM開發(fā)板上IOC的開發(fā)。

2.3 電機(jī)設(shè)備控制部分

電機(jī)部分由MAXnet電機(jī)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成。MAXnet電機(jī)控制器(美國(guó) Oregon Micro Systems公司)是高性能電機(jī)控制器，與MAXv系列功能類似。MAXnet無VME接口，而代之以串口和Ethernet接口，本文通過網(wǎng)口連接ARM開發(fā)板和MAXnet電機(jī)控制器。MAXnet可同時(shí)控制5軸電機(jī)的同步或異步運(yùn)動(dòng)，對(duì)于步進(jìn)和伺服電機(jī)也同樣適用。

控制開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)連接線見圖 4，基本控制方式為“方向+轉(zhuǎn)速”。Direction控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，Step產(chǎn)生50%占空比的脈沖，脈沖個(gè)數(shù)決定電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。脈沖速度為0–4,199,303 /s，加速度為0–8,000,000 /s2[6]，選擇合適的脈沖速度和加速度可控制電機(jī)的運(yùn)行速度、起跳速度和加速度。

圖4 MAXnet與步進(jìn)電機(jī)的接線圖[6]Fig.4 The Wiring Diagram between MAXnet and motor.

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

目前上海光源電機(jī)控制系統(tǒng)的使用方式有單電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制。單電機(jī)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)性能與操作系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間和IOC與控制器之間的通信時(shí)間無關(guān)，且MAXnet控制器與MAXv控制器命令集及參數(shù)指標(biāo)基本一致。因此，本設(shè)計(jì)可滿足簡(jiǎn)單的單電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的使用要求。

對(duì)于多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制，我們用 Soft Motor與transform記錄結(jié)合觸發(fā)三路電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，規(guī)定延遲時(shí)間為第一路與第三路電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)之間的時(shí)間差，同步誤差為運(yùn)動(dòng)過程中第一路與第三路電機(jī)之間的最大距離差，光源現(xiàn)有電機(jī)系統(tǒng)的延遲時(shí)間～23 ms。本設(shè)計(jì)的延遲時(shí)間為～100 ms，當(dāng)電機(jī)速度為150 μm/s時(shí)，新系統(tǒng)的同步誤差達(dá)15 μm，為光源現(xiàn)有系統(tǒng)的4倍。新系統(tǒng)中的S3C2440計(jì)算機(jī)升級(jí)為性能更高的PC機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的延遲時(shí)間能控制在12 ms左右，僅為光源現(xiàn)有電機(jī)系統(tǒng)延遲時(shí)間的一半，產(chǎn)生的同步誤差也將為光源現(xiàn)有系統(tǒng)同步誤差的一半。表1為三種電機(jī)系統(tǒng)的軟硬件及性能比較。

由運(yùn)行Linux非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PC機(jī)組成的電機(jī)控制系統(tǒng)性能上優(yōu)于光源現(xiàn)有電機(jī)系統(tǒng)。相比總線速度和操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力對(duì)延遲時(shí)間的影響更大。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

本次設(shè)計(jì)表明基于ARM處理器的電機(jī)控制系統(tǒng)的可行性，運(yùn)行 Linux的 S3C2440計(jì)算機(jī)與MAXnet組成的電機(jī)系統(tǒng)在時(shí)間響應(yīng)性能上與光源現(xiàn)有電機(jī)系統(tǒng)有一定差距，原因在于使用ARM9內(nèi)核的S3C2440計(jì)算機(jī)是嵌入式開發(fā)的入門級(jí)產(chǎn)品，性能有限。將S3C2440(linux)+MAXnet的電機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)升級(jí)為PC機(jī)，系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)性能會(huì)有較大提升。若使用運(yùn)算能力較強(qiáng)的ARM處理器的計(jì)算機(jī)，時(shí)間響應(yīng)性能可得到很大提升。

4 結(jié)語

本文介紹了EPICS下基于ARM處理器的電機(jī)控制系統(tǒng)，軟硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試均已完成，證明了基于ARM處理器的電機(jī)控制系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)在位置控制可滿足使用要求，在時(shí)間響應(yīng)性能上存在一定差距，若使用高性能處理器，時(shí)間響應(yīng)性能可得到很大提升。

使用S3C2440(linux)+MAXnet方案將電機(jī)控制系統(tǒng)的成本降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且省去VME機(jī)箱，系統(tǒng)體積大大減小。本次設(shè)計(jì)是對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的一種新嘗試，為上海光源的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種可供參考的思路。

1 閆 芬, 李愛國(guó), 楊 科, 等. 基于EPICS的硬X微聚焦試驗(yàn)站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 核技術(shù), 2009, 32(11): 801–805

YAN Fen, LI Aiguo, YANG ke, et al. EPICS-based data acquisition system of hard X-ray micro focus station[J]. Nucl Tech, 2009, 32(11): 801–805

2 Kraimer M R. EPICS input/output controller(IOC) application developer’s guide[OL], Release 3.14.8, 2005, http: //www. aps. anl. gov/epics/base/R3-14/8. php

3 Tim Mooney, Joe Sullivan, Ron Sluiter. Motor record and related software[OL]. 2003, http://www.Aps.anl.gov/bcda/ synApps/motor/R6-2/motor Record.html

4 Marty Kraimer, Eric Norum, Mark Rivers, et al. asynDriver: asynchronous driver support[OL], Release 4.5, 2006, http: //www. aps. anl. gov /epics/ modules/soft/ asyn/R4-7/asynDriver. html

5 Mark Rivers, Marty Kraimer. Asyn record, release 4-7[OL],2004,http://www.aps.anl.gov/epics/ modules/soft/ asyn/ R4-7/ asynRecord. html

6 User’s manual intelligent motion controller for Ethernet MAXnet[OL]. 2010, http://www.pro-dex.com/motioncontrol/product-catalog/motion-controllers/ethemet/ maxnet-motion-controller.aspx