嵌入式伺服控制器调试软件的研究
2017-7-25 来源：中国科学院大学 作者：史秀玉，何 平，王志成，，吴文江，张玉磊
摘要: 随着工业控制领域的不断发展，传统的控制器已经无法满足用户在线调试的需求，只能通过仿真得到实验结果，这种系统仿真具有一定的理想性。针对传统控制器的缺陷，提出设计一种嵌入式伺服控制器调试软件，能有效弥补这一缺陷。文章采用． NET Framework 平台及 Visual Studio 集成开发环境，基于嵌入式伺服控制器设计了编辑器、汇编器以及调试器( 硬件在回路仿真测试系统) 。运用硬件在回路( Hardware-in-the-loop，HIL) 技术，让处理器运行仿真模型来模拟电机的运行状态，满足了用户实时调试的需求。
关键词: Visual Studio; HIL; 嵌入式伺服控制器; 调试软件
0.引言
随着微控制器的快速发展，其应用已经遍及各个领域，如: 电机控制、工业自动化等。传统控制器中，单轴控制器和伺服驱动器采用分立的设计结构，系统成本高、通讯时延长、灵活性差。因此，嵌入式单轴控制器应运而生，它将单轴控制器和伺服驱动器结合在一起，解决了传统控制器的缺陷; 嵌入式单轴控制器的出现也对调试工具提出了新的要求，在对指令进行编辑编译的同时，也需要满足用户的实时调试的需求。目前国内尚无成熟的嵌入式伺服控制器调试软件，因此在参考文献［1］的基础上，文章设计了基于嵌入式伺服控制器的调试软件。嵌入式伺服控制器调试软件可用于实现运动控制器监控、编码器角度检测、Osci 控制等功能，其核心功能是编辑、汇编以及调试，其中，调试功能采用了硬件在回路的仿真设计，硬件在回路仿真已逐渐成为控制系统设计的重要工具［2］，满足了用户实时调试的需求。
1.总体结构设计
1.1 伺服控制系统
伺服控制系统整体的工作流程如图 1 所示: 用户在上位 PC 机的调试软件上编写程序，通过 USB 端口将程序指令代码序列下载到嵌入式单轴控制器中，解释器模块对下载的代码序列进行解释处理并调用相应的处理函数，得到电机的运动参数，因为单轴控制器和伺服驱动器共享内存，伺服驱动器可以根据参数直接控制电机的运动轨迹，不需要再使用通讯接口。其中，运动控制器中变量监测模块保存记录数据，并将各个变量同样通过 USB 接口反馈给上位 PC 机调试软件中的调试器，便于用户实时调试，控制电机的运转轨迹。
图 1 伺服控制系统结构
1.2 伺服驱动指令
伺服驱动指令由汇编器汇编，具有一定的指令格式，包括指令标识符和相关的参数。统一编译为二进制代码，根据指令标识符的不同，调用不同的指令处理函数，当然这就是解释器的功能了，不是我们讨论的范畴。根据参考文献［1］设计的伺服驱动指令集，设计一个类，定义统一的指令规范格式，定义各个变量，分别存储助记符的名称、指令代码、参数个数以及各个参数。定义该类型的数组，数组中存放的是所有的指令集合，最后定义所有输入输出参数可能的类型指令。
2.调试软件的设计
2.1 编辑器的设计
采用 Visual Studio 平台的 rich Text Box 组件，在 C#win Form 程序中作为汇编器的编辑界面，同时采用 la-bel 控件为代码添加行号。为 Label 控件添加 Paint 事件，来实现行号的添加。具体代码设计如图 2 所示:
图 2 绘制行号
其中，line Num Point 是一个 List 数组，存放的是Point 类型的数。Line Num Point 中的坐标是由 Line N-um Point． Add( ) 函数逐一添加的。遍历该数组得到数组中元素的个数( 即行数) ，g． Draw String( ) 函数绘制行号。此中存在一个设计难点，就是滚动条的问题。随着滚动条的滚动，行号需要不断的刷新才能满足正常的需要。为此设计一个滚动条的垂直滚动事件( rich Text Box 的 VScroll 事件) ，实现行号的刷新。首先用 clear( ) 函数将坐标数组清空，重新计算字符串坐标，我 们 知 道 文 本 框 的 行 数，即 rich Text Box． Line．Length，先用 Get First Char Index From Line ( ) 函数从行号得到给定行第一个字符的索引，再根据函数 Get Posi-tion From Char Index( ) 得到字符在指定索引处的位置，进而得到每行行号的坐标。到此为止，编辑器已经做好了，但是为了使其更加美观实用，这里为其实现了关键字高亮。高亮代码如图 3 所示。
图 3关键字高亮
2.2 汇编器的设计
汇编器需要在上位 PC 机调试软件中使用，在上位 PC 机调试软件的编辑器的编辑框里输入相关的汇编指令，汇编器将这些汇编指令一一进行汇编，即编译为可执行的二进制代码，如果编译不通过，则需进行相应的代码调试，直至编译通过为止。汇编过程的流程图如图 4 所示。
图 4 汇编程序流程图
2. 2.1 定义用户输入指令
定义用户输入指令类，包括的变量有: 用户输入命令的名称 name，参数 arg X，参数 arg Y，参数 a-rg Z，行号line，String 类型的输入参数数组 in Arg，Int32 类型的输出参数数组 out Arg，以及 byte 类型的数组 bin，长度等于 8，一条指令的长度，8 个字节，用于保存编译后的二进制指令。
2.2.2 设计难点
设计过程中需要考虑的两大问题，第一: 若用户输入的有空白行，则必须先去除空白行，否则就算编程让
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