基于RTDX的光電伺服控制軟件調(diào)試工具開發(fā)

朱文亮　廖洪波　杜卯春　范大鵬

摘要：在光電伺服控制軟件調(diào)試過程中為了開發(fā)一種連續(xù)、實時、直觀的調(diào)試工具，需要將DSP環(huán)境中的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇C環(huán)境，利用PC豐富的圖形環(huán)境進行數(shù)據(jù)顯示和圖形繪制。如何實現(xiàn)DSP環(huán)境與PC環(huán)境之間的實時數(shù)據(jù)交換成為該調(diào)試工具開發(fā)中的一個關(guān)鍵問題。針對該問題，利用T1公司實時數(shù)據(jù)交換（RTDX）技術(shù)，實現(xiàn)了MATLAB和CCS集成開發(fā)環(huán)境之間的實時數(shù)據(jù)交換。

關(guān)鍵詞：光電伺服控制；調(diào)試工具；RTDX；MATLAB

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0012-04

0、引言

目前，在光電伺服控制軟件調(diào)試過程中，為了實現(xiàn)程序中各種寄存器、控制參數(shù)等變量的觀察，需要在目標程序中設置斷點，中斷目標程序運行。然而對實時性要求較高的光電伺服控制程序，這種插入斷點的調(diào)試方法不能實時反映所關(guān)心數(shù)據(jù)的變化，同時還有可能造成數(shù)據(jù)錯誤，影響控制算法設計和錯誤分析，給程序調(diào)試帶來不便。同樣，在其調(diào)試階段，需要在線修改程序中的控制參數(shù)，實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)實時導人目標程序，而用傳統(tǒng)調(diào)試手段難以實現(xiàn)。針對以上問題，需要設計一個連續(xù)、實時、直觀的調(diào)試工具來進行光電伺服軟件調(diào)試，用以提高調(diào)試效率和縮短開發(fā)周期。本文針對該調(diào)試工具設計過程中PC環(huán)境與DSP環(huán)境數(shù)據(jù)實時交換的關(guān)鍵問題，通過應用實例說明了采用RTDX技術(shù)實現(xiàn)MATLAB和CCS的編程環(huán)境之間數(shù)據(jù)交換的方法。

1、實時數(shù)據(jù)交換技術(shù)RTDX

TI公司的Real Time Data Exchange（RTDX）技術(shù)利用DSP的內(nèi)部仿真邏輯和JTAG接口實現(xiàn)主機與目標機之間的數(shù)據(jù)交換。它幾乎不占用DSP的系統(tǒng)資源，數(shù)據(jù)傳送可以在目標程序后臺運行，對目標程序影響很小。它可以在不中斷目標程序運行的前提下向主機實時發(fā)送目標DSP上各個寄存器或內(nèi)存變量的值。而Pc主機也可通過TI公司提供的RTDX相關(guān)API函數(shù)獲取這些數(shù)據(jù)，并可對這些數(shù)據(jù)進行實時分析和可視化顯示。RTDX數(shù)據(jù)交換原理如圖1所示。

目標DSP為了向主機發(fā)送數(shù)據(jù)必須設定一個輸出通道，通過用戶接口可將數(shù)據(jù)送到輸出通道以使這些數(shù)據(jù)立即保存到RTDX目標機的緩存（由RTDX目標函數(shù)庫定義）中，然后再將這些數(shù)據(jù)通過JTAG接口發(fā)送到主機。目標機要從主機中獲得數(shù)據(jù)，首先必須設定輸入通道接收主機發(fā)出的命令，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健Ｍ瑫r可利用輸出通道完成目標程序向RTDX主機函數(shù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)，向RTDX主機函數(shù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)請求及在目標機上提供數(shù)據(jù)緩存等功能。

2、RTDX應用過程

使用RTDX進行DSP環(huán)境和PC環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換時，需要在DSP目標程序和PC主機程序中分別實現(xiàn)。它們之間的數(shù)據(jù)傳輸格式和傳輸頻率要結(jié)合應用需求來定義。

2.1 DSP目標程序RTDX實現(xiàn)

在DSP目標程序中使用RTDX進行數(shù)據(jù)傳輸，只需在原有的DSP目標程序中加入關(guān)于RTDX通道初始化、數(shù)據(jù)緩存區(qū)定義和數(shù)據(jù)收發(fā)的代碼即可。以下是RTDX在DSP程序中的實現(xiàn)過程。

（1）RTDX初始化

首先使用以下宏完成RTDX輸入、輸出通道的創(chuàng)建：

RTDX_CreatelnputChannel（d_jchan）；

RTDX_CreateOutputChannel（a_ochan）。其中：d_ichan為輸入通道名：a_ochan為輸出通道名。后面有關(guān)RTDX通道的操作函數(shù)都要使用它們來指定通道。完成通道創(chuàng)建以后使用以下宏來使能輸入、輸出通道：

RTDX_enableInput（&d_ichan）；

RTDX_enableOutput（&a_ochan）。

（2）創(chuàng)建接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)

進行數(shù)據(jù)發(fā)送之前需要定義好接收和發(fā)送緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小可根據(jù)實際應用情況定義，但不可超過RTDX通道最大容量值。定義Readdata[counterl]為接收緩沖區(qū)，counterl為緩沖區(qū)容量大小，定義Seaddata[counter2]為發(fā)送緩沖區(qū)。

（3）向RTDX通道讀寫數(shù)據(jù)

函數(shù)RTDX_readNB（&d_ichan，（void*）&Readdata，sizeof（short））可實現(xiàn)RTDX輸入通道數(shù)據(jù)非阻塞讀取。使用RTDX_write（&a_ochan，&Seaddata，500*sizeof（short））可以向RTDX通道發(fā)送數(shù)據(jù)，這里向通道中寫入了500個short類型數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)個數(shù)不應超過RTDX通道容量大小，否則會發(fā)送失敗。

在實際應用過程中RTDX只提供了一個數(shù)據(jù)的傳輸通道，而如何有效地使用這個通道還需要DSP目標程序和PC主機程序定義好數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)。

2.2 MATLAB主機程序?qū)崿F(xiàn)

PC主機程序是在MATLAB/GUI編程環(huán)境實現(xiàn)的。主要實現(xiàn)定時獲取DSP目標程序通過RTDX通道發(fā)送上來的數(shù)據(jù)：實時顯示接收到的數(shù)據(jù)信息；通過人機交互界面向DSP目標程序發(fā)送數(shù)據(jù)。設計流程如圖2所示。

主機程序首先通過MATLAB Link for CodeComposer Studio的相關(guān)API函數(shù)與CCS集成開發(fā)環(huán)境建立雙向和實時數(shù)據(jù)鏈接，成功建立鏈接后可以通過MATLAB/GUI程序控制執(zhí)行CCS的命令來進行批處理調(diào)試和顯示，然后再進行DSP類型及數(shù)量的探測。待探測到目標DSP類型和數(shù)量后，程序?qū)⑦M行RTDX通道緩沖區(qū)配置、通道初始化等操作。完成這些操作后MATLAB/GUI程序控制CCS運行目標程序，同時啟動數(shù)據(jù)接收和發(fā)送定時器，此時DSP和PC可進行數(shù)據(jù)的實時交換。以下為MATLAB環(huán)境下RTDX的實現(xiàn)過程。

（1）RTDX初始化過程

首先使用configure（cc.rtdx，8192，4）對通道進行配置，配置參數(shù)需要根據(jù)DSP目標程序通道創(chuàng)建的個數(shù)來確定，這里配置緩沖區(qū)大小為8192字節(jié)，同時配置了4個通道，其中cc.rtdx為MATLAB和CCS建立連接成功后返回的句柄，后面有關(guān)RT-DX通道的操作函數(shù)都需要把它作為參數(shù)來使用。完成配置后，可使用open（cc.rtdx，a_ochan，r）來打開RTDX讀通道，使用open（cc.rtdx，d_ichan，w）來打開寫通道，其中a_ochan，d_jchan為DSP目標程序中創(chuàng)建通道時定義的通道名。最后使用以下函數(shù)完成RTDX輸入、輸出通道的使能：

enable（cc.rtdx，d_ichan）；

enable（cc.rtdx，a_ochan）。

（2）接收定時器服務函數(shù)

TimeUpdateChannelATl（ ）

在定時服務程序中主要完成實時接收RTDX通道中的數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)緩存區(qū)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理或圖形繪制。

（3）發(fā)送定時器服務函數(shù)

TimeUpdateChannelDTl（ ）

發(fā)送定時器服務函數(shù)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和協(xié)議的封包。當PC主機程序需要向DSP發(fā)送連續(xù)數(shù)據(jù)時，例如，正弦、方波和鋸齒波等類型的激勵信號時，需要將上述激勵信號離散化處理后再進行發(fā)送，發(fā)送控制命令時，只需發(fā)送按照傳輸協(xié)議封包好的數(shù)據(jù)即可。

3、RTDX應用實例

以某型光電穩(wěn)定平臺的光電伺服控制軟件調(diào)試為背景，結(jié)合上文RTDX在DSP目標程序和MATLAB/GUI的實現(xiàn)過程，對光電伺服控制軟件和MATLAB/GUI程序進行修改，對DSP目標程序增加RTDX初始化、配置、收發(fā)等相關(guān)代碼，對MATLAB/GUI修改有關(guān)數(shù)據(jù)處理和圖形顯示代碼，并根據(jù)實際應用需求，實現(xiàn)平臺中各種參數(shù)的顯示、狀態(tài)控制等功能。

某型光電穩(wěn)定平臺調(diào)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。軟件構(gòu)成：MATLAB2011b、CCS3.3；硬件構(gòu)成：兩軸光電穩(wěn)定平臺、驅(qū)動控制硬件電路、調(diào)試PC主機、仿真器和直流穩(wěn)壓電源等。RTDX應用實現(xiàn)如下：

步驟一，在光電伺服控制軟件中加入RTDX初始化相關(guān)函數(shù)并定義接收、發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)組，數(shù)組大小按照RTDX最大容量500定義，同時還需實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，其中上傳數(shù)據(jù)包括陀螺、編碼器、測速機、跟蹤器數(shù)據(jù)類型及格式的定義。在伺服控制周期里采集到500個數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)上傳，因此數(shù)據(jù)上傳周期為500 ms；Pc機下傳數(shù)據(jù)包括控制指令和正弦、方波、階躍信號的離散化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下傳周期由MATLAB/GUI發(fā)送定時器設定，根據(jù)伺服控制的響應特性，設定下傳周期為10 ms，每個周期發(fā)送500個數(shù)據(jù)。

步驟二，在MATLAB/GUI程序中設計人機交互界面，如圖4所示。需對MATLAB/GUI程序中的接收定時服務函數(shù)和發(fā)送定時服務函數(shù)進行修改，設置接收定時器定時周期為5 ms，并且要小于光電伺服控制程序數(shù)據(jù)上傳周期，以防止數(shù)據(jù)丟失。按照傳輸協(xié)議，對接收定時服務函數(shù)增加數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析函數(shù)，波形繪制函數(shù)等。對發(fā)送定時服務函數(shù)需增加激勵信號波形離散化函數(shù)和傳輸協(xié)議封包函數(shù)。

步驟三，利用MATLAB/GUI程序觀察光電穩(wěn)定平臺各個傳感器的數(shù)據(jù)值，并可發(fā)送指令實現(xiàn)對光電穩(wěn)定平臺各種功能的控制，實現(xiàn)對光電伺服控制軟件在線監(jiān)控與調(diào)試，如圖4所示。

在MATLAB/GUI界面上單擊電機上電控制按鈕，運動軸選擇為俯仰軸，運動模式選擇穩(wěn)定模式，激勵信號選擇為正弦，幅值為60（°）/s，頻率為4 Hz，點擊陀螺數(shù)據(jù)顯示按鈕，此時可在主機程序界面上觀察激勵信號（虛線）和響應信號（實線）的曲線?？梢赃x擇不同類型的激勵信號和運動模式來實現(xiàn)對光電穩(wěn)定平臺位置、速度和跟蹤閉環(huán)狀態(tài)性能的測試。在電機不上電的情況下還可以單獨觀察某個傳感器的數(shù)據(jù)，判斷它是否正常工作。

4、結(jié)論

本文以光電伺服控制軟件的調(diào)試為應用背景，針對DSP環(huán)境與PC環(huán)境實時數(shù)據(jù)交換的技術(shù)問題展開研究。利用RTDX技術(shù)實現(xiàn)了CCS3.3與MAT，LAB2011b編程環(huán)境之間的實時數(shù)據(jù)交換，并在MATLAB/GUI環(huán)境下開發(fā)了基于RTDX的光電伺服控制軟件調(diào)試工具。該調(diào)試工具為開發(fā)人員提供了連續(xù)、實時、直觀的調(diào)試環(huán)境，提高了調(diào)試效率。