（检测技术与自动化装置专业论文）模块化机器人关节控制系统底层通讯平台的设计.pdf

北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 模块化机器人关节控制系统底层通讯平台的设计 摘要 模块化机器人因其重构性好和灵活性强而显示出独特的优越 性，对它的研究也得到了长足的发展，其控制系统也已经成为研究 的重点。本文在吸取了模块化机器人现有成果，特别是本实验室开 发的模块化机器人关节成果的基础上，研发出了一套与现有模块机 器人关节完全兼容的、具有一定开放性的模块化机器人控制系统通 讯平台。 本文具体工作主要包括以下几个方面： 首先，结合国内外发展现状和任务要求，进行了本通讯平台的 方案设计：选用标准p c 机作为中央控制计算机、d s p 实现关节控制 器，中央控制计算机与关节控制器之间通过p c i 总线、c a n 总线的互 相访问实现系统通讯。 其次，进行了该通讯平台的硬件设计：选用p c i 9 0 5 4 桥接芯片 构建p c i 通信模块电路，并详细介绍了它与p c i 总线、l o c a l 总线、 e e p r o m 的连接电路；以t i 公司d s p 实现了c a n 总线通讯模块，并详 细介绍了它与收发器、扩展r a m 的连接电路；采用双口r a m 共享全 局存储区方式实现了p c i 总线与c a n 总线的通信。 再次，进行了该通讯平台的软件设计：选用n u m e g a 公司的 d r i v e r w o r k s 开发p c i 总线通信模块驱动程序，并完成其封装、调试； 以c c s 开发了c a n 总线模块程序，包括通信程序与中断程序，完成 其调试加载；讨论了中央控制计算机软件的组成并详细介绍了驱动 程序接口函数的调用方法。 最后，在以上各部分实现的基础上，进行了系统电气与逻辑检 测，传输性能测试，得出p c i c a n 适配卡符合总线规范的定义，能 够实现总线间的互相访问；驱动程序符合w d m 规范，可以实现总线 间数据传输，传输性能满足设计要求。 关键词：模块化机器人关节p c i 总线c a n 总线总线通讯 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 d e s i g no fc o n l r o ls y s t e mc o m m u n l c a t i o n p l a t f o r mb a s e do nm o d u l a rr o b o t a b s t r a c t r o b o t i c si san e wc o m p l e xs u b j e c ta n di sg i v e n i n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h e r e i n t om o d u l a rr o b o ts h o w si t s a d v a n t a g ea n dm a k e sam i g h t y a d v a n c eb e c a u s eo fi t s d e p e n d a b i l i t ya n di t sf l e x i b i l i t y t h ec o n t r o l s y s t e mh a sb e e n a ni m p o r t a n tt o p i co f r o b o t i c s ac o n t r o ls y s t e mc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mo fm o d u l a rr o b o tt h a ti s o p e nt os o m ee x t e n ta n di sc o m p a t i b l ew i t t ft h ej o i n ti sd e s i g n e do nt h e b a s i so ft h ea c h i e v e m e n t so fm o d u l a rr o b o t s ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n t o fam o d u l a rr o b o t j o i n ti nm yl a b o r a t o r y i tu s e ss t a n d a r dp ca sc e n t r e c o m p u t e ra n ds t a n d a r db u st ot r a n s m i td a t a t h ed e s i g no f s o f t w a r ea n d h a r d w a r ei sm a d ei nt h i sp a d e r i ti n c l u d e st h e s ep a r t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , w i t hc o m p a r i n gt ot h ed i f f e r e n ts y s t e mo fm o d u l a rr o b o t ， t h i sp a p e rm a k e st h ec o n t r 0 1s y s t e mc o m m u n i c a t i o np l a t f o r l t lt h a tn o t o n l yh a sc e n t r ec o m p u t e rb u ta l s ol o c a lc o n t r o l l e r t h e n ，t h i sp a p e r a n a l y z e st 1 1 em a k e u pa n dg i v e st h ed e t a i l e dd e s i g n s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi s i n t r o d u c e d t h ep r o c e s s o rp c i 9 0 5 4i su s e dt od e s i g nt h ep c ii n t e r f a c e t h ec i r c u i t c o n n e c t i n gw i mp c ib u s l o c a lb u s a n de e p r o ma r e i n t r o d u c e di nd e t a i l ；d s pf r o mt ic o m p a n yi su s e dt od e s i g nt h ec a n i n t e r f a c e t h ec i r c u i tc o n n e c t i n gw i t hp c a 8 2 c 2 5 0a n de x t e m a lra mi s i n t r o d u c e di n d e t a i l ；d o u b l e p o r tr 2 6 m i su s e dt or e a l i z et h e 仃a n s m i s s i o nb e t w e e np c ib u sa n dc a nb u s t h i r d l yt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi s i n t r o d u c e d d r i v e r w b r k sf r o mn u m e g ai su s e dt o d e s i g nt h ed r i v e p r o g r a m i t sc o m p i l a t i o na n dd e b u ga r ec o m p l e t e d ；c c si su s e dt o d e s i g nt h ec a np r o g r a m i t sd e b u ga n di t si n s t a l l a t i o na r ec o m p l e t e d ； t h em a k e u po fc e n t r ec o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h eo p e r a t i o ng u i d eo f l i b r a r yf u n c t i o na r ei n t r o d u c e f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t sa r ed o n et o t e s tt h ee l e c t r i c ，l o g i ca n d 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 t r a n s m i s s i o nq u a l i t yo ft h es y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi s u pt ot h eb u ss p e c i f i c a t i o n sa n dr e a l i z e st h ea c c e s s i n gb e t w e e np c ib u s a n dc a nb u s t h ed r i v ep r o g r a mi su pt ot h ew d ms p e c i f i c a t i o n sa n d r e a l i z e st h ed a t at r a n s m i s s i o n t h et r a n s m i s s i o nq u a l i t ya c c o r d sw i t ht h e d e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：m o d u l a rr o b o tj o i n t ，p c ib u s ，c a nb u s ，b u s c o m m u n i c a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗痢酌内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：拉垒日期：丝! ! 生生兰! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产樱单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：堑盘日期 导师签名：圣坠出 日期 2 ，d p 石、 如 塑! 五直! 目! ! 旦 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 1 1 引言 第一章绪论 机器人是近年来发展起来的综合学科，它集中了机械工程、电子工程、计算 机工程、自动控制工程以及人工智能的多种学科的最新研究成果，代表了机电一 体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。机器人从诞生到现在已有 半个多世纪的历史了，伴随着新一代计算机的出现与电子技术的发展，加快了机 器人的发展，出现了基于模块设计的机器人模块化机器人“3 ，它是由一个个独 立的功能相同或者相似的模块重组而成，可以适应不同的环境要求，机器人依靠 各模块的相互协调运动完成各项复杂的任务i 而不必专为某项任务设计专用机器 人。模块化机器人的每一个模块都是独立的运动单元，各个关节单元将电机、传 感器和控制器等集成在一起，并且含有智能化的底层控制命令，通过c a n b u s 等 现场总线通讯技术，仅需要一根电缆便实现了中央控制计算机对各个关节的控 制。对机器人控制只需高层向各个关节发送位置、速度和加速度信息，各关节将 自动完成伺服控制，其位形可以根据特定的任务要求改变。各个模块都提供标准 化机械和电气接口，可以在多个方向上与其他模块连接，这就大大增强了模块化 机器人的可重构性，人们可以根据不同的任务要求任意增减模块的数量，装配成 不同结构的机器人“1 。模块化机器人控制系统是实现机器人控制的一组硬件和软 件资源，它的好坏直接关系到机器人的性能，因此对它的研究也倍受大家的关注。 但模块化机器人控制系统研究是个庞大的工程，需要不同方向的研究人员通力合 作才能完成，每个人只能研究其中的一部分，本文针对其中的底层通讯部分展开 课题。 1 2 模块化机器人及其控制系统的研究现状 随着机器人体系结构的发展，机器人模块化的研究也得到了长足的发展。许 多大学和科研机构进行了模块化机器人的研究。其中有s t a n d f o r d 大学的机器人 研究室的双单元模块化机器人；n a s a 空间遥操作计划项目中的模块化遥操作机器 人任务执行系统；南加利福尼亚模块化机器人实验室的模块化机器人，及其与其 他公司联合开发生产模块化机器人。1 ；中国科学院沈阳自动化研究所模块化蛇形 机器人；北京航空航天大学机器人研究所成功开发出的智能运动单元等。不同的 模块化机器人，为了更好的实现系统的通用性、重构性、灵活性，都采用了不同 的控制方式，研制出了自己的控制系统。 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 下面是东京技术研究所开发出了称之为可重组的十字形机器人( r b r ) 的三维 试验模型。并准备将其用于空间在轨机器人“1 。其控制部分是以高速总线互联的一 分散式控制，可以根据任务需要进行重组。 图i - i 东京技术研究所设计的r b r 及其分歌控制系统 图1 - 2 为德国g m d 国家实验室开发的模块化蛇形机器人”1 ，其结构为三维关 节模块，每关节模块有三个电机及六个力矩传感器，六个红外传感器，结构相当 复杂，直径达2 0 c m 左右。其控制方式为上位机总线下位机。 图1 2 德国g m d 国家实验室开发的模块化蛇形机器人 图卜3p o w e r c u b e 模块机器人 图1 - 3 为a m t c c g m b h 公司的模块化关节。每个关节模块内部集成了直流伺 服电机、谐波减速器、编码器、限位开关、制动器、控制器等，关节模块之间通 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 过高速串行工业总线系统实现最多3 1 个模块的通讯。通过p m a c 卡与中央控制 计算机相连，由其完成坐标转换、轨迹插补等控制任务。 图1 - 4 为m t r a n 模块化机器人“1 ，模块的两个可相互转动部分各有三个可 与其它模块连接的表面，这些面通过磁力与其它模块连接。通过由非线性弹簧和 对外形有记忆功能的合金组成的机构，多个模块可以实现牢固、精确和快速的连 接。在其试验中，以一个模块为主机，各模块的通过电源接口和信号线接口与主 机进行通讯，完成预定任务。 图1 4m t r a n 模块化机器人 下图为北京航空航天大学机器人研究所研制的s o l i d s n a k ei i 蛇形模块化机器 人，它充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，采用模块化设计思路， 每个关节均可很容易进行拆卸。各关节采用4 8 5 总线与上位机联接，上位机为 p c 机，通过对总线上的各关节定时轮流查询来实现关节控制。该设计能方便地 实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆卸安装新的关节，增强了机器人的可 靠性和耐用性”1 。 图卜5s 0 1 i d s n a k ei i 蛇形模块化机器人 考察国内外模块化机器人，基本可以总结为以下三种： 1 ) 主控计算机中央控制，拓扑星形结构，采用开环部分闭环控制。这种方 案结构较简单，没有下位机，上位机直接控制电机以及处理传感器反馈，优点是 所有关节相互独立，互不影响，但是这种控制方法决定了其自适应能力差，容错 性差，结构的改变将导致所有动作必须重新设计，中央计算机的瘫痪将造成系统 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 的完全瘫痪。而且要求系统有一个高速、大容量的上位机。 2 ) 利用人工神经网络等分散式控制方案，这种控制方式具有高的自组织性， 重构性，实时性；但整体的协调合作不强，难于完成特定环境下的确定任务。 3 ) 既有主控计算机，也有局部控制器，结合以上两种控制方式的优点这样 对主控计算机的依赖大大减小使其微型化成为可能，可以在很大程度上弥补上述 两种控制方式各自的缺点，在需要自主运动和高度的实时性时主要采用局部控制 器，在执行确定任务时采用主控计算机与局部控制器结合。 1 3 本文研究内容及论文结构 控制系统是模块化机器人的关键组成部分，因此模块化机器人控制系统的设 计具有很大的实际意义。本文结合国内外的研究现状和任务要求，选择了既有中 央控制计算机，也有关节控制器的方式实现系统控制。中央控制计算机选用标准 p c 机来实现，以p c i 总线作为外部接口，关节控制器选用t i 公司d s p 来实现， 以c a n 总线作为外部接口，中央控制计算机与模块关节之间通过f c i 总线、j c a n 总线互相访问完成通讯，完成各模块的方案设计后，进行了该控制系统通讯平台 的软硬件设计和传输性能的测试。j 在本设计中，吸收了开放式机器人控制器设计的思想：利用基于非封c j j 式计 算机平台的开发系统，有效利用标准计算机平台的软、硬件资源，为控制器扩展 创造条件；利用标准的w i n d o w s 操作系统和标准的控制语言c + + ，可以改变各种 专用机器人语言并存且互不兼容的局面；采用标准总线结构一c a n 总线，使得为 扩展控制器性能而必需的硬件如各种传感器、i o 板、运动控制板可以很方便地 集成到系统中。 根据这种思想设计机器人控制器使其具有开放式结构，而且设计过程中要尽 可能做到模块化。模块化使系统开放，易于修改，重构和添置功能。这样建立的 系统，不仅性能好、开发周期短而且成本低。目前计算机的性能也有显著地提高， 整体性能已经接近或超过早期工作站的水平，建立在p c 和w i n d o w s 上的开放结 构的控制器的发展方向o “。p c 具有开放式的硬件结构，标准的操作系统，标准的 软件库外部的i o 通讯接口也是基于开放式的硬件结构 本文的组织结构如下： 第一章：简述模块化机器人优点，并以国内外模块化机器人的研究实例介绍 了其控制系统及其通讯方式的研究现状，之后介绍了本课题研究内容及论文结 构。 第二章：介绍了课题研究对象和技术要求，并以此为依据对控制系统通讯平 台进行了方案设计：选择既有中央控制计算机，也有关节控制器的控制方式实现 4 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 系统控制，分析了系统平台的组成，将其分成五个模块，并详细介绍了各组成模 块的软硬件方案的制定。 第三章：进行了该控制系统通讯平台的硬件设计：选用p c i 9 0 5 4 构建p c i 通 信模块电路，并详细介绍了它的外围电路；以t i 公司d s p 加c a n 收发器方法实 现c a n 总线通讯模块；采用双口r a m 共享全局存储区方式实现了p c i 总线与c a n 总线的通信。 第四章：进行了该控制系统通讯平台的软件设计：选用n u m e g a 公司的 d r i v e r w o r k s 开发p c i 总线通信模块驱动程序，并完成其封装、调试；以c c s 开 发了c a n 总线通信程序；同时讨论了中央控制计算机软件的组成及其对驱动程序 接口函数的调用。 第五章：在以上各部分功能实现的基础上，进行了系统电气与逻辑检测，传 输性能测试，得出p c i c a n 适配卡符合总线规范的定义，能够实现总线间的互相 访问；驱动程序符合w d m 规范，可以实现总线间数据传输，传输性能满足设计要 求。 第六章：对整个论文进行了总结，并对该项目的后续研究工作进行展望。 1 4 本章小结 本章主要简述模块化机器人优点，并以国内外模块化机器人的研究实例介绍 了其控制系统及其通讯方式的研究现状，之后介绍了本课题研究内容及论文结 构。 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 2 1 引言 第二章控制系统通讯平台方案设计 本实验室九十年代引进德国九自由度模块化工业机器人，结合该机器人开展 了机器人运动和控制理论等方面的研究取得多项研究成果。在模块化机器人的系 统研制、演示论证等方面做了很深入的研究。特别是已研制出自己的机器人模块 化关节，在可能的情况下，生产多个机器人关节就可以组成自己的多自由度模块 化机器人，它重构性好，且易于设计安装和维修。每个关节模块都有自己的控制 系统，用以完成关节的力矩、角度、速度等的精确控制，但是要想完成实际的操 作任务，需要各个关节协调工作，需要一个中央控制计算机来完成机器人运动学 正反解以及位置差补等控制工作以及人机交互界面，目前己研制机器人关节模块 留有与中央控伟4 计算机通信的c a n 总线接口，如何将其与计算机连接，实现中央 控制计算机与机器人模块关节的通信是本课题要完成的主要问题。 2 2 被控对象与系统传输性能指标 ( 1 ) 被控对象 被控对象又称执行系统，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放 物体或进行其它操作的机械装置。本课题的研究对象是由本实验室研制的模块 _ 莛苗 首， 节i 肯j 图2 - 1 模块化机器人结构 化关节组成的多自由度模块机器人，各模块关节有各自的d s p 控制电路、驱动电 路、信号检测和反馈电路，并预留有c a n 总线接口。该机器人只有旋转运动，要 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 想达到空间任意位置，需要三个模块关节，达到任意姿态，还需要增加三个自由 度，这样建立的六自由度模块化机器人的模型如图所示，它是由三个独立的功能 相同模块和一个手抓模块组合而成，还可以根据现场实际情况把模块装配成相 应位形，机器人依靠各模块的相互协调运动完成各项复杂的任务。 ( 2 ) 控制系统传输性能要求 模块化机器人由中央控制计算机系统负责监测系统的运行状态，进行逆运动 学正反解，并将计算结果通过网络传给模块关节，模块化关节测量电机电流、电 压，控制电机的转角转速，并将这些信息反馈给中央控制计算机。因此关节与中 央控制计算机之间需要大量的数据传输，其中包括：复位命令发送，控制命令发 送，控制状态请求，控制状态返回。其中部分参数定义如下： 关节角度用两个字节整型数来表示( 二进制补码) ，量化单位0 0 1 0 ，表 示范围为：一3 2 7 6 8 。+ 3 2 7 6 7 0 。 。r ： 关节的角速度用两个字节整型数来表示( 二进制补码) ，量化单位 0 0 0 1 。s ，表示范围为：一3 2 7 6 8 0 s + 3 2 7 6 7 。s 。 关节角加速度用两个字节的整型数来表示( 二进制补码) ，量化单位 0 0 0 1 0 s 2 ，表示范围为：一5 0 0 0 0 s 2 + 5 0 0 0 。s 2 。 关节温度测量数据均为8 位整型( 二进制补码j ，量化单位l 。，表示范 围为：一1 2 8 0 + 1 2 7 0 关节电机电流用两个字节的整型数来表示( 二进制补码) ，量化单位 o 0 0 1 a ，表示范围为：一5 0 0 0 a + 5 0 0 0 a 。 每1 5m s 遍历查询一次各种参数，确认参数的正确的情况下，发送新的控制 参数及执行指令，这系统实际传输速率约4 0 k b p s ，但是系统各组件性能不同， 会产生延时，以及新功能的引进，也占用带宽，系统传输速率应优于5 0 0 k b p s 。 为了能达到空间任意姿态，模块化机器人的自由度不应低于6 个，每个自由 度都分配有各自的总线地址，就需要总线至少可以挂接六个节点。 要想达到有效的工作范围，总线传输的长度要多于4 0 米。 为了使中央控制器不总是忙于是否有数据收发，中央控制计算机端要以中断 方式来接收总线上的数据，这就需要传输系统要有中断功能。 综上所述，传输系统应达到以下指标： 波特率 5 0 0 k b p s 总线传输长度 4 0 m 挂接的节点数 6 个 中断数量 1 级 工作环境温度：0 c 7 0 ； 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 2 3 控制系统通讯平台组成 控制系统应实现安全、稳定的机器人模块关节的控制，本文采用前一章提到 的第三种控制方法，既有中央控制计算机，也有关节控制器。实验室研制酊模块= 化机器人关节已考虑了这一点，内部集成有控制器，并以现场总线外界互连，但1 要将其与中央控制计算机相连，就需要块接口板。考虑到系统的开放性，传输 的高效性，中央控制计算机端一般选用预留总线( 即性能扩展接口) ，在分别实现 预留总线通信、现场总线链路同时，还需要设计两总线间的接口。因此本控制系 统平台大体上它由五部分组成：中央控制计算机模块、机器人关节模块、预留总 线通信模块、现场总线通信模块以及预留总线与现场总线间的接口模块。图2 - 2 是系统平台总体结构框图。 l 中央 预留 预留总局部 控制 线与现 现场 控制 计算 预留总线 场总线 总线 现场 总线 通信 问：的接 通信 总线 器与 机模 模块 模块 被控 “ 口模块对象 图2 - 2 系统平台组成 2 4 控制平台各模块方案选择 2 4 1 中央控制计算机模块方案选择 模块化机器人的中央控制计算机系统作为整个机械手分系统的“心脏”t 负责接收外部输入，完成六自 由度模块机器人的任务规划、逆运动学反解，与各关节控制器的通讯以及协调机器人与载体平台的相对运 动，是整个机械人的核心部件，必须确保其较高的性能和多种通讯接口。中央控制计算机系统的设计应该 满足如下的要求： 人机交互能力：必须有友好的交互界面，便于离线编程与机器人操作； 系统计算能力：中央控制计算机必须能够以足够快的速度完成所有机器 人操作任务的计算； 系统存储能力：存储器的容量必须满足机器人任务的程序及数据存储； 通讯能力：机器人控制系统的中央控制计算机与关节控制器之间进行总 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 线通讯，实现控制指令的发送和信息的反馈，其通讯能力必须满足传输 要求。 选用专用的c p u 实现 中央控制计算机可以选用专用的c p u 来实现，这里的专用c p u 是指p o w e r p c 、 a r m 等需要自己构建外围电路的处理芯片。采用专用处理器有较强的灵活性和适 应性，微处理器的控制方式及其外围电路都有自己来设计实现，可以根据自己的 需要增加或减少存储器和外围接口的数量，在实现预定功能的前提下，系统体积 功耗最小，其控制大多软件实现，如果需要修改控制规律，一般不必修改系统的 硬件电路，只需对软件进行修改即可；采用专用处理器也可以提供简单的人机界 面，实现简单的多机联网工作。然而，专用的c p u 来实现，处理器的速度有限， 处理能力也有限；另外，片上不具备控制系统所需要的专用外设，因此基于专用 的c p u 构成的中央控制系统仍然需要较多的元器件，这增加了系统电路板的复杂 性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算量大的处理的需要，难以实现先进的 算法。 采用标准的工业p c 实现 中央控制计算机也可以采用标准的工业p c 来实现，它具有良好的扩展能力 和承受恶劣的生产条件，同时基于该系统的软件开发比专有系统成本更低，更快 和更适于移植“”。标准的开发工具( 例如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ) 都可以使 用。这些工具价格比较便宜，允许快速的原型设计技术和重新编译己存在的原代 码，在不同c p u 和p c 平台之间优化。可移植软件允许简化仿真硬件，减少训练 成本，改进仿真和离线测试和调试能力；使用p c 平台编程工具的经验丰富的开发 者也比精通专用微处理器和相关编辑工具的人员要多。此外，基于p c 平台的开 放式结构使用标准的操作系统，自定义接口的系统集成环境，用户自定义的软件 和硬件模块通过系统集成器加入到系统中去，不需要或很少求助于控制器的开发 者“。所以本课题选用采用标准的工业p c 来实现。 2 4 2 预留总线接口模块方案选择 2 4 2 1 预留总线的选择 本课题选取标准p c 机作为中央控制计算机，其系统总线总要有以下3 种“”： 1 ) i s a 总线最早的p c 总线是i b m 公司于1 9 8 1 年推出的基于8 位机p c x t 的总线，许多老设备( 如声卡、m o d e m 等) 还是离不开它，所以一些主板芯片组依 然提供了对它的支持。但i s a 缺少一个中枢寄存器，不能动态地分配系统资 源：c p u 占用率高，插卡的数量亦有限，如果几个设备同时调用共享的系统资源，很 容易出现冲突现象。早期的i s a 设备非常难安装，不仅要设置跳线或d i p 开关来 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 控制u o 地址，甚至中断和时钟速度也要通过手工完成。 2 ) a g p 总线( 图形加速端口k c c e l e r a t eg r a p h i c sp o r t ) ，是近几年由i n t e l 在主板上发展起来的重要的端口。它拥有很高的传输速率，使3 d 图形数据传输速 度大增，在显存不足的情况下还可以调用系统主内存。但严格说来，a g p 芥菊称一 为总线，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和a g p 显示卡。因此这种总线也不 适合开发本课题的中央控制计算机借口模块。 3 ) p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线，即外围部件互连总 线，是一种先进的高性能3 2 6 4 位地址数据复用局部总线，可同时支持多组外围 设备，并且不受制于处理器，为中央处理器与高速外围设备提供一座沟通的桥梁， 提高数据吞吐量，是当今p c 领域中流行的总线。其主要特点如下“”： 传输率高：在3 3 m h z 的时钟频率下，对于3 2 位的p c i 总线，峰值数据传输可 以达到1 3 2 m b s ：6 4 位的p c i 总线可达2 6 4 1 t b s ：当时钟频率为6 6 m h z 时，总线数 据传输高达5 2 8 m b s ，远远大于标准i s a 的8 旧s 和e i s a 的3 3 m b s 传输率。 线性突发传输：可以确保总线满载数据。外围设备一般会由内存某个地址顺 序接收数据，这种线性或顺序的寻址方式，意味着可以由某一个地址起读写大 量数据，然后每次只需将地址自动加一，便可接受数据流内下一个字节的数据。 线性突发传输减少了无谓的地址操作，更有效地利用总线的带宽来传输数据。 采用独立于处理器的结构：将中央处理器子系统与外围设备分开，形成一种 独特的中间缓冲器设计方式。一般来说，在中央处理总线上增加更多的设备和部 件， 会降低性能和可靠程度，而有了缓冲器的设计方式，用户可随意增添外围 设各，以扩展计算机系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。 自动配置功能：每个p c i 设备有2 5 6 字节的配置寄存器，可以实现设备的即 插即用。 可靠性高：p c i 总线增加了奇偶校验错( p e r k ) 、系统错( s e e r ) 、从设备结束 ( s t o p ) 等控制信号及超时处理等可靠性措施，使数据传输的可靠性大为增加。 向下兼容性：软件上p c t 部件与现有的驱动程序和应用程序兼容，硬件上， 由一个共享槽可接纳i s a 或e i s a 插卡，提供比较完善的多个主设备的能力。 扩展性强：p c i 总线预留6 4 位扩展，并可实现5 v 向3 3 v 的平稳过渡“”。 由以上分析，p c i 总线作为一种标准总线，其性远远满足本课题5 0 0 k b p s 的 传输要求，所以本课题选用p c i 总线接口完成c a n 总线节点的访问，以及p c i 设 备的配置空间和存储空间的访问。 2 4 2 2 总线实现方式选择 i ) 采用可编程逻辑器件：采用可编程逻辑器件实现p c i 接口的最大好处是 比较灵活，具有可编程性，可把p c i 时序模块和功能模块结合在一起，可以利用 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 的器件也比较多( 如a l t e r a 公司的f 1 e x 8 0 0 0 ( c p l d ) 器件、x i l i n x 公司的 x c 3 1 0 0 a ( f p 6 a ) 器件等) 。首先对于一个典型p c i 设计，并非要实现p c i 规范中所 有的功能，而只是这些规范中的一个子集。可编程逻辑器件可以依据板卡的功能 进行最优化，只实现必需的p c i 接口功能，节约了系统的逻辑资源，也可以将 p c i 板卡上的其它逻辑和p c i 接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计； 再者当系统升级时，只需对可编程逻辑器件进行逻辑设计，而无需更新p c b 板。 虽然采用可编程逻辑器件设计p c i 接口具有灵活的特点，但在实现设计中存在一 些限制。实现p c i 规定功能需要完成逻辑校验、地址译码i 实现配置所需要的各 类寄存器等p c i 的基本要求，大致需要1 5 0 0 0 个门电路；此外，。还需加入f i f o 、 用户寄存器组和后端设备接口等部分。设计这种p c i 总线接口会导致将大量的火 力、物力投入到复杂的逻辑验证和时序分析的工作上，开发周期较长。 2 ) 采用专用p c i 接口芯片：采用专用p c i 接口芯片来实现p c i 接口，开发 人员只需要考虑用它来实现自己要求的功能，而不用考虑p c i 芯片内部结构，这 样就使设计者可以把主要精力放在对整个系统的设计上，已实现完整的p c i 接口 功能，将复杂的p c i 总线接口转换为相对简单的接口。采用专用p c i 接口芯片虽 然没有采用可编程逻辑器件那么灵活，但能够有效地降低接口设计的难度，缩短 开发时间。专用接口器件具有较低的成本和很高的通用性，能够优化数据传输， 提供配置空间，具备用于突发传输功能的片内f i f o ，提供扩展局部总线等优点， 并且许多公司还提供配套的开发工具( 例如评估板或驱动程序开发软件) ，使用 很方便，开发周期短。目前市场上常见的有p l x 、a m c c 、c y p r e s s 等公司的p c i 桥芯片，各个型号的p c i 接口芯片的大致特点如表2 一l 所示。 表2 一l 各公司p c i 接口芯片 公司芯片型号芯片功能与特点价格开发技术支持 p c i 9 0 5 4 ( 主、从) 型号众多，使用方 较便提供快速开发 p l x p c i 9 0 5 2 ( a ) 便，性能好 宜板r d k 出售 a m c c 5 9 3 3 ( 主) f i f o 接口适合于 较昂 a m c ca m c c 5 9 3 5 ( 主) 设计数据采集卡， 提供评估板 a m c c 5 9 2 0 ( 从)性能好 p c i 2 0 3 1 ( 从)与t i 的d s p 可无很便 t i 提供评估模块 p c i l 2 5 1 ( 主) 缝连接 宜 内置d p r a m ；有 c y p r e s sc y 7 c 0 9 4 4 9 p v - a c ( 主)便宜技术文档 效降低系统成本 由上述方案比较可知，用可编程逻辑控制器件可以较为灵活地实现所有功 能。但是为了达到p c i 规范的严格要求，需要大量的逻辑验证、时序分析和程序 调试，而采用可编程逻辑控制器件厂商提供的功能模块，价格又比较昂贵。而采 用专用p c i 总线接口芯片可以比较容易地实现p c i 接口，无论从技术或者成本都 是比较理想的选择，从以上个芯片比较上看p c i 9 0 5 4 功能更完善，技术更成熟， 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 本文以它来实现总线接口。 2 4 2 3 总线接口芯片简介 p c i 9 0 5 4 是美国p l x 公司生产的先进的p c ii o 桥接芯片，符合p c iv 2 2 规范，具有1 7 6 一p i np o f p 和2 2 5 一p i np b g a 两种封装形式。从整体上看，p c i 9 0 5 4 提供了p c i 总线、e e p r o m 、l o c a l 总线三个接口。p c i 9 0 5 4 作为一种桥接芯片， 在p c i 总线和l o c a l 总线之间传递信息，既可以作为两个总线的控制设计去控制 总线，也可以作为两个总线的目标设备去响应总线，其结构框图如图所示。 p c i9 0 5 4 采用先进的p l x 数据管道结构技术，是3 2 位、3 3 n l z 的p c i 总线 控制器专用芯片，功能强大、使用灵活。p c i9 0 5 4 主要具有如下特性： 符合p c iv 2 1 、v 2 2 规范，包含p c i 电源管理特性； 支持v p d ( v i t a lp r o d u c td a t a ) 的p c i 扩展； 一支持p c i 双地址周期，地址空间高达4 g b ；7 提供了两个独立的可编程d m a 控制器，每个通道均支持块和s c a t t e r g a t h e r 的d 1 i a 方式，d m a 通道0 支持请求d l f 【a 方式； 在p c i 启动模式，p c i9 0 5 4 可插入类型1 和类型2 的配置周期； p c i 总线和l o c a l 总线之间的数据传送速率高达1 3 2 l l l b s 。 p l x 9 0 5 4 内部有5 个内部寄存器组：p c i 配置寄存器组、l o c a l 配置寄存器 组、d m a 寄存器组、运行寄存器组、消息队列寄存器组。 慝嚣臻鬻i i i o m 口“娑雌e “柙”。固“ 八 i l l l o q m 、 黼撼瓣 2 蒸 叫 j 嚣测 - i p d i 咖咖州帅+ p - - j 刺 l - - i t , 黧 h 。| 一f p a 咖r 埘d i - - 4 暑 圣 h i - - il 瓣i u id m a ip c n l一一 1 黼l a 。o m t ll 1 - - 1 l v滋 u iq o & 4 a o $ l o c ，p g l l一 0 黪 - = 瓣 _ _lp a t 劬n w m ij f 鞴l h i - -l 刚t 哪邮酬li - - ： 隧鬻2 ；镕l 翻v mt l 。m 日。m “t n m n * | u m l l a m t x r + 瞬i 囝2 - 3p c i90 5 4 内部结构框图 p c i 配置寄存器组配置p l x 9 0 5 4 的p c i 总线接口方面的属性，l o c a l 配置寄 存器组配置p l x 9 0 5 4 的l o c a l 总线接口的属性。 2 4 2 4 总线协议 1 ) p c i 总线传输协议“” p c i 总线传输协议是同步传输协议，所有p c i 操作均同步于p c i 时钟，p c i 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 6 总线的数据传输采用突发( b u r s t ) 方式，每次传输由一个地址周期和一个或多个 数据周期组成。p c i 总线传输包含读、写和中止三个内容。 p c i 总线传输周期由一个地址阶段加上一个或多个数据阶段构成： ( 1 ) 地址阶段：在地址阶段，启动设备指定目标设备( 在p c i 的a d 总线驱动 启动地址) 和传输类型( 在p c i 的c b e g 总线驱动命令) ，同时发出f r a m e # 信号表 明有效的地址和命令已经在总线上，由于地址阶段仅存一拍，所以每个p c i 从设 备需要锁存总线上的命令，以供随后译码使用。 ( 2 ) 数据阶段：启动设备用f r a m e # 信号来表示突发传输的持续过程。当启动 设备准备完成最后一个数据阶段时，需失效f r a m e # 且发出i r d y # 。最后一个数据 传完后，启动设备将p c i 总线还原至闲置状态( 此时，f r a m e # 和i r d y # 均无效) 。 一旦主设备设置了i r d y # 信号，将不能改变i r d y # 和f r a m e # ，直到当前数据 期完成为让。一而一个从设备一旦设置r 了t r d y # 信号或s t o p # 信号，就不改变 d e v s e l # ，t r d y # 或s t o p # ，直到当前的数据期完成。也就是说不管主设备还是从 设备只要承诺了的数据传输就必须进行到底。 当到最后一次数据传输时，有时紧接地址期之后主设备应撤消f r a m e # 信号 而建立 r d y # 信号，表明主设备己做好了最后一次数据传输的准备，待到从设备 发出t r d y # 信号后，就说明最后一次数据传输己完成。f r a m e # 和i r d y # 信号均撤 消，接口回到空闲状态。 2 ) p c i 总线仲裁 p c i 总线结构采用集中仲裁机制，每个p c i 主设备都有独立的r e q # ( 总线占 用请求) 和g n t # ( 总线占用允许) 2 条信号线与中央仲裁器( c e n t r a la r b i t e r ) 相 连，由中央仲裁器对各设各的申请进行仲裁，决定由谁占用总线。p c i 总线规则 要求中央仲裁器支持一个合理的算法，给每个p c i 主设备确立获得总线控制权的 等待时间“”。 总线仲裁规则基本要求如下： ( i ) 对总线所有权提出申请的设备必须具备立刻开始总线周期的能力。 ( 2 ) 被授予总线所有权的主设备应在8 个c l k ( 推荐为2 3 个) 周期内，驱动 a d 3 l ：0 和c b e # 3 ：0 信号至一个稳定电平：在9 个