雙口RAM在航天伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

于 戈，胡翔宇，曾凡銓，馮 偉

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109; 2.上海市伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海 201109)

0 引言

在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管采用伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)其搖擺，近年來(lái)，大功率航天電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了深入研究，電動(dòng)伺服系統(tǒng)的綜合性能已逐步超越了液壓伺服系統(tǒng)，得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[1]。在電動(dòng)伺服系統(tǒng)中通常采用電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換元件，永磁同步電機(jī)因具有高功率密度、高效率和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。然而，作為一個(gè)強(qiáng)耦合、多變量的非線性系統(tǒng)，永磁同步電機(jī)在控制過程中必須執(zhí)行復(fù)雜的解耦控制算法。

伺服控制器作為驅(qū)動(dòng)單元的核心，要求具備很高的硬實(shí)時(shí)性和充分的可靠性。伺服控制過程通常需要反饋信號(hào)采集、伺服控制算法計(jì)算和通信等功能，整個(gè)任務(wù)的控制周期決定了伺服系統(tǒng)的采樣率，而高速的采樣率能明顯提升系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。另一方面，隨著控制算法的復(fù)雜化和通信的高速化，考慮到軍用元器件使用的局限性，通常單中央處理器(Central Processing Unit, CPU)難以滿足功能需求。

在航天伺服系統(tǒng)中通常具有單臺(tái)控制器驅(qū)動(dòng)多路伺服機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，這給伺服控制計(jì)算單元提出了更高的要求。當(dāng)前在伺服控制系統(tǒng)中，基于CPU+FPGA的架構(gòu)已經(jīng)成為熱門方案[2]，在CPU和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)間多采用雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory, RAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存和共享，高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸成為系統(tǒng)的關(guān)鍵單點(diǎn)?，F(xiàn)有防止雙口RAM訪問沖突的方式各種各樣，有基于旗語(yǔ)邏輯的令牌仲裁方式[3-5]、中斷等待方式[6-7]、優(yōu)先級(jí)搶占方式[8-9]、循環(huán)緩沖方式[10-14]等。其中令牌仲裁方式和優(yōu)先級(jí)搶占方式類似，設(shè)計(jì)了雙口RAM數(shù)據(jù)訪問的優(yōu)先級(jí)機(jī)制，經(jīng)握手后確定訪問順序，優(yōu)先級(jí)低者需進(jìn)行等待或再次請(qǐng)求，一方面增加了握手等待時(shí)間，一方面需要進(jìn)行等待，占用了CPU利用率。中斷等待方式占用了CPU的高優(yōu)先級(jí)中斷資源；循環(huán)緩沖方式機(jī)制復(fù)雜，建立緩沖機(jī)制的開銷往往占用較長(zhǎng)的CPU時(shí)間，適用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中。

綜上可知，雙口RAM的防沖突機(jī)制都是為了不在同一時(shí)刻占用同側(cè)總線和同一存儲(chǔ)空間。本文直接從最根本的訪問時(shí)間出發(fā)，基于DSP+FPGA架構(gòu)，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙口RAM，提出了一種分時(shí)訪問機(jī)制，減少了等待握手環(huán)節(jié)和CPU使用率，縮短了伺服控制周期，框架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單清晰，保證了數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)和FPGA間數(shù)據(jù)高速無(wú)差錯(cuò)的傳輸。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與需求分析

1.1 伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文中伺服系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，主要由DSP、FPGA和雙口RAM組成，各個(gè)模塊的主要功能如下：DSP作為主處理器，主要實(shí)現(xiàn)讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)執(zhí)行伺服控制算法計(jì)算，并將遙測(cè)數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中，同時(shí)在每次中斷執(zhí)行開始時(shí)刻發(fā)出同步信號(hào)給FPGA；FPGA作為協(xié)處理器，主要實(shí)現(xiàn)反饋數(shù)據(jù)的采樣和通信指令的解析，同時(shí)將伺服控制用的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，并從雙口RAM中讀取遙測(cè)和自檢數(shù)據(jù)并上傳；雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存的橋梁，實(shí)現(xiàn)DSP和FPGA之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

圖1 伺服系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Servo system frame

基于雙口RAM的數(shù)據(jù)傳輸分為上行數(shù)據(jù)傳輸和下行數(shù)據(jù)傳輸，上行數(shù)據(jù)傳輸指DSP將需要進(jìn)行遙測(cè)的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM的A端，F(xiàn)PGA從雙口RAM的B端讀取遙測(cè)數(shù)據(jù)；下行數(shù)據(jù)傳輸指FPGA將控制算法需要的反饋數(shù)據(jù)和指令信息寫入雙口RAM的B端，DSP從雙口RAM的A端讀取控制算法需要的數(shù)據(jù)。其中，下行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括反饋采樣數(shù)據(jù)和通信指令數(shù)據(jù)，反饋采樣數(shù)據(jù)分別來(lái)自ADC模塊和RDC模塊，通信指令數(shù)據(jù)包括兩路1553B總線通信的指令消息。上行和下行傳輸數(shù)據(jù)地址分配分別如表1和表2所示。在航天伺服系統(tǒng)中，指令和反饋數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)航天器的運(yùn)行至關(guān)重要，數(shù)據(jù)傳輸不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤，遙測(cè)數(shù)據(jù)表明了當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的判斷。

表1 上行傳輸數(shù)據(jù)地址分配

表2 下行傳輸數(shù)據(jù)地址分配

1.2 雙口RAM中數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵問題分析

在硬件雙口RAM器件中具有2套獨(dú)立的訪問控制總線，該2套總線共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，當(dāng)兩側(cè)的總線在同一時(shí)刻對(duì)同一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間進(jìn)行寫數(shù)據(jù)，或一方總線對(duì)數(shù)據(jù)空間寫、另一方總線對(duì)該空間讀時(shí)，該地址空間訪問數(shù)據(jù)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，此數(shù)據(jù)空間的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)亂碼，應(yīng)當(dāng)避免這種情況的發(fā)生[15]。為了保證通信的可靠性，當(dāng)2套總線同時(shí)訪問雙口RAM的同一地址空間時(shí)需要進(jìn)行握手等待，這種握手機(jī)制會(huì)增加訪問雙口RAM的時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸量較少的情況下，握手機(jī)制將占用總訪問時(shí)間的一半以上，且握手機(jī)制會(huì)占用額外的中斷或者是查詢時(shí)間，增加CPU負(fù)擔(dān)。特別是在伺服系統(tǒng)中，伺服控制算法的運(yùn)算周期決定了其最終性能，因此要最大程度地減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和降低CPU任務(wù)負(fù)擔(dān)。

由表2可以看出，本系統(tǒng)中由FPGA傳輸至DSP的下行傳輸數(shù)據(jù)來(lái)自多個(gè)FPGA的功能模塊，這些數(shù)據(jù)需要按照規(guī)定的地址編碼放入下行傳輸數(shù)據(jù)空間內(nèi)。當(dāng)多個(gè)模塊對(duì)雙口RAM單側(cè)進(jìn)行訪問時(shí)，同樣需要設(shè)計(jì)合理的仲裁邏輯避免同時(shí)占用總線。類似于雙口RAM雙側(cè)訪問機(jī)制，設(shè)計(jì)合理的總線訪問機(jī)制有助于簡(jiǎn)化程序架構(gòu)，提高FPGA對(duì)內(nèi)部雙口RAM的寫入和讀取時(shí)間，提高采樣率和通信速率。

2 雙口RAM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 框架與接口設(shè)計(jì)

按模塊化設(shè)計(jì)方法，本系統(tǒng)將雙口RAM設(shè)計(jì)為2個(gè)模塊，頂層模塊為Prior_DRAM，例化的子模塊為Dual_Port_Memory，頂層模塊完成雙口RAM與其訪問功能模塊的接口設(shè)計(jì)。如圖2所示，各個(gè)模塊對(duì)FPGA側(cè)總線的訪問均具備獨(dú)立的數(shù)據(jù)地址總線和控制信號(hào)。圖2中，左側(cè)信號(hào)位輸入信號(hào)，右側(cè)信號(hào)位輸出信號(hào)。

圖2 頂層模塊接口圖Fig.2 Top level module interface diagram

子模塊負(fù)責(zé)上行和下行傳輸數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，接口如圖3所示，具備2套獨(dú)立的數(shù)據(jù)地址總線和控制信號(hào)，其中A端通過頂層模塊映射后與DSP相連，B端通過頂層模塊映射后與FPGA相連。

圖3 子模塊接口圖Fig.3 Sub-module interface diagram

2.2 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

為了保證上下行傳輸過程中數(shù)據(jù)讀寫速度最快，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊內(nèi)部不設(shè)優(yōu)先級(jí)訪問順序，保證在一個(gè)時(shí)鐘沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)空間存儲(chǔ)的可靠性，設(shè)計(jì)了上下行傳輸分段存儲(chǔ)防差錯(cuò)機(jī)制，單側(cè)讀取和寫入數(shù)據(jù)時(shí)訪問的空間為獨(dú)立的存儲(chǔ)地址，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

reg[15∶0]Down_RAM[127∶0];

reg[15∶0]Up_RAM[63∶0];

//下行數(shù)據(jù)傳輸：

always@(posedge Clock) begin

if(A_Port_RD&&A_Port_EN) begin

A_Port_Data_Out<=Down_RAM[A_Port_Addr[6∶0]];

//A Port Reading

end

end

if(B_Port_WE) begin

Down_RAM[B_Port_Addr[6∶0]]<=B_Port_Data_In;

//B Port Writing

end

end

//上行數(shù)據(jù)傳輸：

always@(posedge Clock) begin

if(A_Port_WE&&A_Port_EN) begin

Up_RAM[A_Port_Addr[5∶0]]<=A_Port_Data_In;

//A Port Writing

end

if(B_Port_RD) begin

B_Port_Data_Out<=Up_RAM[B_Port_Addr[5∶0]];

//B Port Reading

end

end

由上可以看出，雙口RAM存儲(chǔ)設(shè)計(jì)未對(duì)雙口RAM數(shù)據(jù)共享空間進(jìn)行初始化，需要在頂層模塊設(shè)計(jì)初始化功能，將雙口RAM存儲(chǔ)空間初始化為0。

2.3 同步分時(shí)防沖突設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)通常以固定周期進(jìn)行反饋數(shù)據(jù)采樣和給定指令的讀取、執(zhí)行控制算法并進(jìn)行輸出，因此，本系統(tǒng)中雙口RAM數(shù)據(jù)需要在此周期內(nèi)完成傳輸，且盡量減少數(shù)據(jù)傳輸占用CPU的處理時(shí)間。在本伺服系統(tǒng)中，控制周期為50μs，其中將雙口RAM數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程劃分為6個(gè)事件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表3所示。

表3 雙口RAM數(shù)據(jù)傳輸事件

得益于FPGA的硬件可編程邏輯特性，雙口RAM的B端口訪問按照固定邏輯時(shí)序進(jìn)行，6個(gè)事件分布在控制周期的固定時(shí)刻，在定時(shí)周期開始的零時(shí)刻，DSP輸出一個(gè)下降沿作為同步信號(hào)給到FPGA，F(xiàn)PGA將當(dāng)前時(shí)刻作為零時(shí)刻。雙方按照表3中的時(shí)刻對(duì)雙口RAM進(jìn)行訪問。在零時(shí)刻DSP啟動(dòng)事件①任務(wù)，事件①任務(wù)完成后執(zhí)行事件②任務(wù)，由于DSP處理的任務(wù)為順序執(zhí)行，因此A端口不會(huì)產(chǎn)生讀寫沖突，且設(shè)計(jì)任務(wù)用時(shí)少于20μs。在25μs時(shí)刻開始，F(xiàn)PGA啟動(dòng)后續(xù)任務(wù)③④⑤⑥，采用順序結(jié)構(gòu)保證B端口讀寫任務(wù)不會(huì)產(chǎn)生讀寫沖突，且設(shè)計(jì)任務(wù)用時(shí)少于20μs。

在保證時(shí)序余量的前提下將任務(wù)按時(shí)間段進(jìn)行了分割，雙口RAM的A端口和B端口讀寫被分布到定時(shí)周期的上、下2個(gè)半?yún)^(qū)，避免了在同一時(shí)刻對(duì)雙口RAM的同一地址空間進(jìn)行讀寫。

3 功能仿真與測(cè)試

FPGA內(nèi)部雙口RAM采用VerilogHDL完成設(shè)計(jì)編碼，在ISE下設(shè)計(jì)了仿真激勵(lì)文件，使用ModelSim進(jìn)行了功能仿真，仿真時(shí)序如圖4和圖5所示。

圖4 雙口RAM A端口讀寫時(shí)序邏輯Fig.4 A-port sequential logic in dual port RAM

圖5 雙口RAM B端口讀寫時(shí)序邏輯Fig.5 B-port sequential logic in dual port RAM

由圖4可以看出，雙口RAM A端口數(shù)據(jù)讀寫最快不超過4μs；由圖5可以看出，雙口RAM B端口數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間總占用不超過15μs。由于B端口數(shù)據(jù)寫入是由FPGA內(nèi)部多個(gè)功能模塊完成，在進(jìn)行總線切換時(shí)會(huì)增加數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間，因此比A端口訪問時(shí)間更長(zhǎng)。

為了驗(yàn)證雙口RAM在數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性，采用1553B總線進(jìn)行了測(cè)試。使用PC機(jī)作為BC端，伺服系統(tǒng)為RT端，設(shè)計(jì)測(cè)試用例如下：

1)BC發(fā)送指令消息至RT；

2)FPGA將此消息解析為控制指令并寫入雙口RAM B端；

3)DSP從雙口RAM A端讀取控制指令并將其第3個(gè)數(shù)據(jù)逐地址加1，形成遙測(cè)數(shù)據(jù)寫入雙口RAM A端；

4)FPGA將遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至BC；

5)改變指令消息數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1)～5)。

圖6 測(cè)試過程與數(shù)據(jù)Fig.6 Test procedures and data

測(cè)試過程與數(shù)據(jù)如圖6所示，經(jīng)過上百萬(wàn)次測(cè)試和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果顯示雙口RAM數(shù)據(jù)傳輸誤碼率為0，上下行數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

本文針對(duì)雙口RAM數(shù)據(jù)傳輸防差錯(cuò)問題，設(shè)計(jì)了一種同步分時(shí)訪問機(jī)制。仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)同步分時(shí)機(jī)制在小數(shù)據(jù)量傳輸過程中運(yùn)行穩(wěn)定且具有更快的訪問速度，占用更少的CPU資源和利用率；

2)本文所提的同步分時(shí)機(jī)制適用于雙口RAM兩側(cè)CPU具有硬件同步機(jī)制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，且需要CPU運(yùn)行時(shí)序穩(wěn)定可靠；

3)本文中FPGA訪問雙口RAM時(shí)仍可設(shè)計(jì)分時(shí)機(jī)制，增加總線切換開關(guān)，減少總線占用時(shí)間。