摘 要：電氣系統(tǒng)的小型化、模塊化并具備遠距離操控能力是當前光電跟蹤設備進一步發(fā)展的需求。本文主要介紹了采用以太網+嵌入式系統(tǒng)模式，構建一種基于DSP和嵌入式X-BOARD處理器的遠程控制系統(tǒng)。重點介紹了該系統(tǒng)的軟件設計、硬件構成以及通過以太網與DSP實時數據交換與控制的實現(xiàn)方法。在此基礎上研制了小型化、模塊化、可遠程操控的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由DSP實時控制模塊和嵌入式接口子模塊組成，前者掛接了數據采集通路和PWM驅動級,后者在實時操作系統(tǒng)VxWorks下,完成以太網數據的收發(fā)和與DSP實時數據的交換。經某跟蹤控制平臺驗證,該系統(tǒng)能達到遠程控制的要求,具有明顯的優(yōu)越性。 關鍵詞：遠程控制;嵌入式處理器 X-BOARD;以太網;光電跟蹤 1 引言 　　隨著嵌入式計算技術的發(fā)展, 嵌入式處理器和實時操作系統(tǒng)得到了廣泛的應用。控制系統(tǒng)不僅對小型化、模塊化、數據處理的實時性提出了進一步要求,并且往往還要求能實現(xiàn)遠距離操控。以太網的遠距離傳輸、高數據傳輸帶寬等優(yōu)點使其逐步進入傳統(tǒng)的控制領域，而嵌入式系統(tǒng)以其本身體積小，功能多，高可靠性等優(yōu)點，成為工控領域中的新熱點。 　　VxWorks是美國風河公司推出的一個實時操作系統(tǒng)，它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛(wèi)星通訊、飛機導航等。X-BOARD是德國控創(chuàng)公司推出的下一代嵌入式處理器模塊，功能十分強大，它幾乎集成了當今所有需要的應用接口，如USB、以太網、PCI、LPC等[1]。其優(yōu)異的嵌入式特性表現(xiàn)在低功耗、小尺寸、無須外加散熱裝置、對各種架構CPU具有相當的開放性、便于性能升級等。 　　光電跟蹤控制系統(tǒng)是一種典型的嵌入式系統(tǒng)應用，針對其進行遠程控制的研究具有較大意義。本文采用客戶端、服務器模式，基于嵌入式X-BOARD<861>處理器和VxWorks實時操作系統(tǒng),實現(xiàn)了遠端主控計算機與DSP的實時通信與控制。 2 控制系統(tǒng)構成 　　該遠程控制系統(tǒng)是基于某光電跟蹤控制平臺，其系統(tǒng)結構如圖1： 　　在整個遠程控制系統(tǒng)中，遠端主控計算機上運行客戶端程序，通過以太網進行DSP動態(tài)程序加載、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控、實時控制參數傳遞、報告網絡連接情況等;在嵌入式子模塊上運行服務器程序，負責遠端主控計算機與DSP的實時數據交換;DSP采用TI公司的低功耗高速DSP TMS320C5416，工作頻率可達到160MHZ。 為了保證整個系統(tǒng)工作的實時性，采用如下機制：DSP上運行實時控制算法，而嵌入式子模塊和遠端主控計算機只進行系統(tǒng)后臺操控。 　　快速反射鏡是一種精密跟蹤技術手段，它與大慣量機架結構的主軸系統(tǒng)共同構成復合軸跟蹤系統(tǒng)，主要用于校正主軸系統(tǒng)的跟蹤誤差及風矩、地基、機架和大氣等干擾引起的視軸抖動[5,6]?？焖俜瓷溏R的位置信息通過采樣電渦流傳感器電壓輸出值獲得，而快速反射鏡的轉動由音圈電機驅動。 　　由以上論述我們可以看出，嵌入式子模塊設計是整個遠程控制系統(tǒng)的關鍵，其硬件結構原理如圖2： 　　X-BOARD<861>嵌入式處理器模塊具有128Mbyte SDRAM,采用AMD Geode SC1200 CPU,該CPU基于X86架構，具有266Mhz主頻，為系統(tǒng)的及時響應提供了有利保障。經過實測，由FPGA發(fā)起中斷，到中斷得到響應只需要大約750ns，并且在VxWorks操作系統(tǒng)系統(tǒng)下最多能處理20KHz的中斷。X-BOARD通過PCI 9054橋接芯片進行總線擴展，F(xiàn)PGA作為PCI 本地端。由于PCI總線與DSP接口速率的不一致性，所有數據交換經由FPGA內部定義的雙端口SRAM進行緩沖。 3 軟件設計 　　Socket 是BSD UNIX定義的一種應用程序使用TCP協(xié)議的接口,許多操作系統(tǒng)包括VxWorks都采用socket接口[3]。在本遠程控制系統(tǒng)中采用基于TCP協(xié)議的可靠數據流SOCK_STREAM,它能提供有序雙向字節(jié)流和帶外數據傳輸能力,每一次完整的傳輸都要經歷建立連接、使用連接、中止連接的過程,從而保證了數據傳輸的可靠性。 　　除了確定底層網絡傳輸協(xié)議外,在整個客戶端和服務器端軟件中還應設計自己的數據傳輸協(xié)議,以解析復雜的控制命令,調試參數,程序加載數據和控制參數等。在本系統(tǒng)軟件設計中所有數據采用1001字節(jié)的數據包進行傳輸,其中有效數據為后1000字節(jié),第一個字節(jié)為控制字。當接收到一包數據時,首先提取第一個字節(jié),解析應該對該幀數據進行何種處理。 　　軟件設計主要集中在客戶端軟件和服務器端軟件的設計?？蛻舳塑浖_發(fā)在VC++6.0集成開發(fā)環(huán)境中完成，其軟件結構設計如圖3所示。子線程接收服務器端發(fā)送的數據并通過消息隊列傳遞到主線程，主線程分別處理本地命令和子線程傳遞的數據。本地命令指操作人員通過客戶端人機界面發(fā)出的命令，主要有DSP程序加載、復位控制、PWM封鎖與開放、控制參數調整、后臺數據記錄等。以DSP程序加載過程為例，詳細說明客戶端與服務器如何進行命令與數據交互。首先將加載文件讀入緩沖區(qū)，然后將數據打包發(fā)送到服務器端，服務器端收到數據包后首先提取控制字，識別出為加載程序數據包后，通過握手信號XF與BIO對DSP進行程序加載。子線程接收的數據包主要包括4路調試參數以及4路誤差數據，主線程接收到子線程傳遞的數據包后，也是首先提取控制字，然后判斷應采取何種操作。 　　服務器端軟件開發(fā)在VxWorks集成開發(fā)環(huán)境Tornado 2.2 下完成。相比客戶端軟件，服務器端軟件需要完成更多的工作，如中斷處理、PCI驅動、協(xié)議解析、與DSP握手等，但是由于Tornado 2.2開發(fā)工具強大的功能，所有需求都能方便的進行開發(fā)。服務器端軟件結構設計如圖4。 [align=center] 圖4服務器端軟件設計流程圖[/align] 　　由圖4可看出，服務器端軟件基于多任務設計，主任務首先初始化PCI驅動和網絡，然后以循環(huán)方式接受客戶端連接并孵化相應的數據接收和發(fā)送子任務。數據接收子任務接收來自客戶端的數據和命令，經過協(xié)議解析后進行相應處理;PCI中斷服務程序只進行信號量釋放操作，用以通知數據發(fā)送子任務從雙端口RAM中讀取數據并發(fā)送到客戶端。 4 實際控制試驗 　　圖5為試驗平臺結構示意圖，經過實際控制驗證,本系統(tǒng)能實現(xiàn)約20米距離的點對點數據傳輸,工作時的網絡數據流量達到1.25Mbps,后臺一次可記錄達30MB容量的運行數據以供事后分析。客戶端可同時監(jiān)控4路調試參數、四路誤差數據以及網絡數據流量變化趨勢,并能實時調整四個控制參數。 [align=center] 圖5 試驗平臺結構示意圖[/align] 　　圖6是根據該遠程控制系統(tǒng)客戶端所記錄數據,繪制的快速反射鏡X方向通過電渦流信號位置閉環(huán)的過程。圖中上半部分為電渦流變化曲線，下半部分為控制量變化曲線。經過測試在10K采樣率的情況下，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數據傳輸無丟包。 [align=center] 圖6 快速反射鏡位置閉環(huán)測試[/align] 5 結束語 　　本文作者的創(chuàng)新點在于充分利用VxWorks操作系統(tǒng)的高實時性,控創(chuàng)X-BOARD<861>嵌入式處理器模塊的小體積、高性能以及傳統(tǒng)以太網的遠距離、高數據傳輸帶寬等特點構建了一個完整的遠程控制系統(tǒng)，每年產生經濟效益約50萬元。文中詳細論述了整個系統(tǒng)的軟硬件設計及后期的試驗平臺架構，并給出了實際控制結果。該系統(tǒng)具有良好的通用性，可以很方便的應用到大部分需要遠程控制的場合。 　　經測試驗證，該系統(tǒng)能完全滿足當前的控制需求,保證了各種功能的實現(xiàn)，為光電跟蹤設備的進一步小型化、模塊化提供了新途徑。 參考文獻： 　　[1] X-board 861 Manual R120 [Z]，2004，Kontron。 　　[2] VxWorks network programmers guide 5.5[Z], 2003, WindRiver System Inc。 　　[3] 李方敏，VxWorks高級程序設計[M].北京：清華大學出版社,2004。 　　[4] 李峰，應宏， 張軍.利用TCP/IP實現(xiàn)Windows與VxWorks的通信[J].微計算機信息，2006，22卷第5期：21-23。 　　[5] 馬佳光，捕獲跟蹤與瞄準系統(tǒng)的基本技術問題[J].光電工程，1989年3月，16卷第3期:1-41。 　　[6] 傅承毓，姜凌濤，任戈等.快速反射鏡成像跟蹤系統(tǒng)[J].光電工程，1994年3月，21卷第3期:1-8。