0 前言

　　在數(shù)控自動控制領(lǐng)域中，所謂運動控制就是對機(jī)床機(jī)械裝置運動部件的位置、速度、加速度等參數(shù)進(jìn)行宴時的控制管理，使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進(jìn)行運動。由于工業(yè)控制計算機(jī)IPC(Industrial Personal Computer)強(qiáng)大而完善的功能，基于Pc標(biāo)準(zhǔn)總線的運動控制器已經(jīng)在數(shù)控系統(tǒng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是。基于PC標(biāo)準(zhǔn)總線的運動控制器由于在硬件設(shè)計上采用板卡設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)的運動控制器不宜長期工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(有振動、粉塵、油污等)。因此近年來，開放式運動控制器成為數(shù)控機(jī)床工業(yè)控制領(lǐng)域研究的熱點。

　　Linux是一個遵循POSIX(Portable Operating SystemInterface)標(biāo)準(zhǔn)的多用戶多任務(wù)且具有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)特性開源操作系統(tǒng)，可以方便的進(jìn)行自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件開發(fā)。但Linux不是一個“硬”實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核為非搶占式的(no-preemptive)，實時任務(wù)不能夠得到保證，而運動控制器本身是綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，具有明顯的實時控制、實時交互和實時監(jiān)測特性。本文研究了RTAI(Real-time Application Interface)的實現(xiàn)原理和基于Mpe5200實時嵌入式Linux運動控制器的架構(gòu)分析，并實現(xiàn)其在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 實時Linux的實現(xiàn)

　　運動控制器作為一個嵌人式系統(tǒng)，除了具備一個高性能的嵌入式微處理器，還應(yīng)該擁有一個與處理器配合的嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)除了具備一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理和文件功能外，還應(yīng)該具有以下特點：可移植性、可裁減性、實時性、強(qiáng)穩(wěn)定性和良好的圖形支持。Linux是全面多任務(wù)的32位開放式操作系統(tǒng)可以使運動控制器具有可擴(kuò)充、可移植、可靠性高和兼容性好等優(yōu)點，非常適合作為開放式運動控制器的開發(fā)平臺。

　　到目前為止，全球在Linux平臺下開發(fā)的具有硬實時功能的系統(tǒng)主要有兩個：R1unIlx和RTAI。RTbn一最早是美國新墨西哥理工學(xué)院的一個研究項目，它是由Victor Yodaiken提出設(shè)計思想，由MichaelBambanov實現(xiàn)的硬實時操作系統(tǒng)。RTAI(Real Timepplication Interface)是由意大利米蘭理工學(xué)院航天工程系發(fā)起開發(fā)的一個遵循GNU的開源項目，RTAI已經(jīng)支持1386，PowerPC，ARM，MIPS和M68k．nommu等處理器。是目前支持處理器最多的linux實時解決方案之一。

　　RTAI的實現(xiàn)機(jī)制與RTLinux非常相似，唯一不同的是RTAI在Linux上定義了一個實時硬件抽象層RTHAL(Real·time Haldwam Abstraction Layer)。并針對RTAI開發(fā)了LXRT(Linux．RT)。讓RTAI可以調(diào)用Linux本身的系統(tǒng)調(diào)用功能。

　　RTAI修改了linux／arch／i386中與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼而形成了RTHAL層，RTHAL的作用是使RTAI能夠在實時任務(wù)需要運行的任何時刻中斷Linux。引入RTAI后，Linux的功能沒有改變，但是作為優(yōu)先級最低的任務(wù)運行，并且只有在沒有實時任務(wù)的時候它才能執(zhí)行。這樣做的好處在于將直接修改linux核心的代碼減到最小，這使得將RTAI移植到linux內(nèi)核的工作量減至最低。

　　RTAI實現(xiàn)的主要模塊有RTAI模塊、SCHED模塊、FIFO模塊、SHM模塊、LXRT模塊，它們能動態(tài)裝入和卸載。用戶自己的實時任務(wù)是在RTAI裝入后再載人。可以通過編輯／etc／rc．sysinit文件，在系統(tǒng)啟動時將RTAI模塊和用戶實時模塊加載到Linux內(nèi)核中，當(dāng)實時模塊加人到內(nèi)核后，實時模塊中創(chuàng)建的線程和函數(shù)就可以訪問系統(tǒng)的底層資源。

2 運動控制器系統(tǒng)設(shè)計

　　運動控制器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。按照模塊化設(shè)計思路，將運動控制器的體系結(jié)構(gòu)劃分為用戶層、內(nèi)核層和設(shè)備層。其中內(nèi)核層和設(shè)備層兩部分組成了運動控制器的開放式平臺。這種獨立的層次結(jié)構(gòu)使得運動控制器易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)上的開放式應(yīng)用。

　　用戶層(虛框內(nèi))就是開放式運動控制器的用戶程序空間，運動控制器的用戶軟件是根據(jù)應(yīng)用對象進(jìn)行特殊化設(shè)計的，可以靈活更換。開放式運動控制器的設(shè)計思路是：無需更改底層軟/硬件模塊，根據(jù)被控對象的特征設(shè)計不同的模塊化用戶軟件就能夠滿足不同的運動控制任務(wù)，體現(xiàn)出運動控制器開放式的特性。“用戶軟件模塊化”是開放式運動控制器最大的特征，而“用戶軟件模塊化”恰好也是Linux提供的一種機(jī)制：Linux的內(nèi)核和用戶程序是完全分離的，用戶程序通過調(diào)用設(shè)備操作接口就能夠?qū)崿F(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。

　　內(nèi)核層的設(shè)計按照兩條相互獨立的線路展開：移植Linux操作系統(tǒng)和開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序。運動控制器的內(nèi)核層設(shè)計最為復(fù)雜．這部分的設(shè)計是與Linux內(nèi)核機(jī)制緊密相關(guān)的。運動控制器大量的硬件設(shè)備是由Linux設(shè)備驅(qū)動程序提供用戶軟件設(shè)備操作接口的．內(nèi)核層的“運動控制接口”和“現(xiàn)場通信接口”是開放式運動控制器最主要的設(shè)備接口。設(shè)備驅(qū)動程序由于處于Linux內(nèi)核的最底層，因此相對于上層用戶軟件又稱之為底層軟件。

　　設(shè)備層是運動控制器的硬件層，在這部分設(shè)計過程中需要完成運動控制器的硬件設(shè)計，電路設(shè)計。嵌入式運動控制器的硬件設(shè)計與傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的運動控制器設(shè)計有很大不同之處。考慮到面向特殊領(lǐng)域的應(yīng)用特性，嵌入式系統(tǒng)不能使用桌面系統(tǒng)那樣豐富的硬件資源，因此標(biāo)準(zhǔn)的Pc機(jī)硬件無法直接應(yīng)用到嵌入式運動控制器中去，這些決定了開放式運動控制器的硬件設(shè)計具有其特殊性。

　　2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　運動控制器微處理器采用的是摩托羅拉公司于2003年下半年推出的新型的具有廣泛發(fā)展前景的PowerPC MPC5200．其內(nèi)部采用了雙處理器結(jié)構(gòu)，有一個專門負(fù)責(zé)通信的協(xié)處理器，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的專業(yè)構(gòu)架。并通過雙端口內(nèi)存(這是種極快的數(shù)據(jù)交換方式)與主處理器通信，從而使主處理器負(fù)擔(dān)大幅度下降。其芯片內(nèi)部含有豐富的實用型外設(shè)。

　　基于PowerPC內(nèi)核的MPC5200”“是一顆低功耗、處理速度達(dá)760MIPS的嵌入式處理器。它支持以太網(wǎng)、USB、PCI、ATA、12S、12C、SPI、串行接口、J1850和控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)。同時，它還支持DDR存儲器，并集成了一個雙精度的浮點單元(FPU)。

　　MPC5200運動控制器是一款非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的運動控制器，開放化的特點使其能夠應(yīng)用于多種機(jī)械設(shè)備上，而通過CAN總線互連組建的現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)是一種全新的分布式控制系統(tǒng)。因此Mpc5200運動控制器完全可以滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、開放化的需求。

　2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在實時Linux下，為了保證數(shù)控系統(tǒng)的實時任務(wù)能夠即時響應(yīng)。所有和實時相關(guān)的任務(wù)都必須放在內(nèi)核層下，每個任務(wù)用一個獨立的內(nèi)核進(jìn)程來執(zhí)行，實時進(jìn)程是通過調(diào)用RTAI的rt—task—init()函數(shù)來實現(xiàn)的。而非實時任務(wù)則放在用戶層下，它們在任何時候都不會打斷實時任務(wù)的運行，只有在實時任務(wù)結(jié)束后才會執(zhí)行。

　　嵌入式數(shù)控的基本功能由各種功能模塊共同來實現(xiàn)的。在以linux為操作系統(tǒng)的開放式平臺上集成RTAI的實時內(nèi)核。通過模塊化的設(shè)計思想，可以將整個控制系統(tǒng)按照實時性的要求分為用戶層模塊，內(nèi)核層實時模塊兩個大的模塊，同時在兩個大的模塊下又根據(jù)不同的子功能分為代碼解釋模塊，人機(jī)交互及刀具仿真圖形模塊，文件管理模塊，位置控制模塊，插補(bǔ)運算模塊，狀態(tài)監(jiān)測模塊等。

　　內(nèi)核層和用戶層之間進(jìn)程的通訊主要是依靠RTAI提供的實時nFo，通過調(diào)用函數(shù)rlf_create()來創(chuàng)建管道實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。FIFO的通信是單向的，因此用戶層和內(nèi)核層的信息交互必須至少創(chuàng)建兩條管道才能實現(xiàn)。

3 實時控制的軟件實現(xiàn)

　　根據(jù)對開放式運動控制器的運行機(jī)制分析，將各實時任務(wù)模塊分別設(shè)置相應(yīng)的定時器工作方式。優(yōu)先級及通信隊列等。

　　實時功能模塊實現(xiàn)方式如下：位置控制任務(wù)moor()決定電機(jī)控制精度。計算下一周期的實際坐標(biāo)增量，輸出到伺服單元驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。因此將其設(shè)計成周期性RTAI線程．運行周期為4ms，1級優(yōu)先權(quán)。

　　功能控制任務(wù)control()是利用fifo從用戶層向內(nèi)核層傳遞控制命令，并實現(xiàn)對I／O口的控制。此任務(wù)采用實時中斷策略，在接受到控制命令，內(nèi)核掛起位置控制任務(wù)。

　　狀態(tài)檢測任務(wù)monitor()要對狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。因此設(shè)置此任務(wù)運行周期為lOms．優(yōu)先級為3級。運動控制器軟件的所有實時任務(wù)和函數(shù)包含在實時模塊main—program．o中。通過編{t}／etc／rc．sysinit文件，在系統(tǒng)啟動時加載到Linux內(nèi)核中。當(dāng)實時模塊加入到內(nèi)核中。實時模塊中創(chuàng)建的線程和函數(shù)就可以訪問系統(tǒng)的底層資源。

　　實時任務(wù)模塊的加載和卸載在Linux中由initmodule()和cleanup—module()兩個函數(shù)實現(xiàn)的，同時可以通過這兩個函數(shù)進(jìn)行資源的分配和回收，以及線程和處理函數(shù)的創(chuàng)建。

4 結(jié)束語

　　本文在深入研究Linux實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。將Linux操作系統(tǒng)移植到數(shù)控機(jī)床上具有實用價值的嵌人式微處理器MPC5200上，證明了數(shù)控嵌人式系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)一定程度的開放性，且移植Linux也是開發(fā)嵌人式數(shù)控運動控制器操作平臺一種比較好的方案。具有明顯的先進(jìn)性和實用性。

　　通過一系列的實驗分析和應(yīng)用研究，現(xiàn)已成功將MPC5200運動控制器應(yīng)用于自主開發(fā)的一種基于CAN總線的嵌入式線束機(jī)控制系統(tǒng)，該系列機(jī)床已經(jīng)通過項目成果鑒定，目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣工作。在此也希望本文能為開發(fā)和推廣我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌人式Linux運動控制系統(tǒng)提供一定的借鑒和幫助。