ARM+DSP的嵌入式四軸運動(dòng)控制器設計

運動(dòng)控制系統已被廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。近年來(lái)，工業(yè)控制對運動(dòng)控制系統的要求越來(lái)越高。傳統的基于PC及低端微控制器日漸暴露出高成本、高消耗、低可靠等問(wèn)題，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代制造的要求 。隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的日益成熟，嵌人式運動(dòng)控制器已經(jīng)初露鋒芒?；贏(yíng)RM技術(shù)的微處理器具有體積小、低成本、低功耗的特點(diǎn)，決定其在運動(dòng)控制領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

PCL6045BL是一種新型專(zhuān)用DSP運動(dòng)控制芯片，它具有強大的數據處理能力和較高的運行速度，可以實(shí)現高精度的多軸伺服控制。為解決精密制造對低成本、可移植性強的通用型多軸數控系統的迫切需求，文中給出一種基于A(yíng)RM 微處理器S3C2440與DSP專(zhuān)業(yè)運動(dòng)控制芯片PCL6045BL構成的嵌入式四軸運動(dòng)控制器。該運動(dòng)控制器具有高性能、低成本、體積小、可獨立運行等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足運動(dòng)控制系統高速、高精度的 要求。它可廣泛應用于雕刻機、機器人、繡花機以及數控加工等工業(yè)控制領(lǐng)域。

為解決精密制造對低成本、可移植性強的通用型多軸數控系統的迫切需求，給出一種基于A(yíng)RM微處理器S3C2440和專(zhuān)用DSP運動(dòng)控制芯片PCL65045BL組合的嵌入式四軸運動(dòng)控制器。硬件上該控制器采用ARM+DSP的主從式雙CPU結構，結合ARM在人機界面顯示、通信接口方面的優(yōu)勢以及PCL6045BL高控制精度的優(yōu)點(diǎn)。軟件上在S3C2440上移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統來(lái)管理運動(dòng)控制系統。該控制系統通用性較強，可廣泛應用于雕刻機、機器人、繡花機以及數 控加工等工業(yè)控制領(lǐng)域。

1 系統總體設計

嵌入式四軸運動(dòng)控制器主要由硬件部分和軟件部分構成。

硬件主要包括S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL運動(dòng)控制板兩個(gè)部分。S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL運動(dòng)控制板之間通過(guò)通用的IDE通信接口進(jìn)行連接。

軟件方面在硬件平臺的基礎上移植S3C2440實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，設計Boot Loader、外設驅動(dòng)以及運動(dòng)控制系統的應用程序。采用上述的軟硬件平臺，嵌入式運動(dòng)控制器可以達到開(kāi)放性能好、精度高的要求。

ARM具有豐富的片內外圍電路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器等，在人機界面的顯示、通信接口以及系統移植方面具有更強大的功能。PCL6045BL運動(dòng)控制芯片速度快，可靠性高，性能好，在運動(dòng)控制方面有很大的優(yōu)勢。

實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步和內存管理等功能，可以使各個(gè)任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實(shí)現準時(shí)而且無(wú)誤地執行，使實(shí)時(shí)應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過(guò)程大為減化 。將S3C2440處理器、PCL6045BL 以及μC/OS-II三者的優(yōu)勢應用到本嵌入式四軸運動(dòng)控制器中可以使其具有強大的功能，并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

本嵌入式四軸運動(dòng)控制器以S3C2440為主控平臺，在A(yíng)RM上移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統來(lái)進(jìn)行人機界面的顯示、I/O的管理、任務(wù)問(wèn)的通信、指令的編譯等工作。PCL6045BL運動(dòng)控制模塊主要負責位置控制，插補驅動(dòng)，速度控制。用戶(hù)的指令通過(guò)S3C2440指令編譯系統的編譯，通過(guò)與PCL6045BL之問(wèn)的專(zhuān)用通信接口來(lái)控制DSP運動(dòng)控制芯片發(fā)出脈沖以達到使伺服電機高速運行。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件平臺設計

在控制系統中，以S3C2440處理器為主控核心，PCL6045BL運動(dòng)控制芯片為從CPU。S3C2440是一款16/32位ARM920T RISC處理器，它實(shí)現了MMU、AMBA總線(xiàn)和獨立的16 KB指令和16 KB數據哈佛結構的緩存，每個(gè)緩存均為8個(gè)字長(cháng)度的流水線(xiàn)。S3C2440提供全面的、通用的片上外設，不需要配置額外的部件。PCL6045BL運動(dòng)控制芯片，由NPM公司生產(chǎn)，是一種通過(guò)總線(xiàn)接收CPU命令、并產(chǎn)生脈沖控制步進(jìn)電機或脈沖驅動(dòng)型伺服電機的CMOS大規模集成芯片，可提供多種輸出運動(dòng)控制功能，包括連續、定長(cháng)、回原點(diǎn)等輸出方式。PCL6045BL可以實(shí)現2~4軸線(xiàn)性插補及任意兩軸圓弧插補。在這種主從結構框架基礎上，主CPU S3C2440主要負責數據的存儲、人機界面的顯示、網(wǎng)絡(luò )通信等管理工作。從CPU PCL6045BL輸出的脈沖發(fā)送給4個(gè)軸的伺服驅動(dòng)器。S3C2440只需要通過(guò)發(fā)送簡(jiǎn)單的指令給PCL6045BL，便可實(shí)現各種控制功能。

2.2 ARM 與PCL6045BL的連接

PCL6045 BL與ARM的通信是通過(guò)讀寫(xiě)I/O總線(xiàn)上的幾個(gè)地址來(lái)進(jìn)行指令和數據的傳輸。PCL6045BL每個(gè)軸的內部寄存器地址由A0、A1 和A2地址線(xiàn)輸人決定，其控制地址范圍由輸入端子A3和A4進(jìn)行選擇。因此在這種主從結構的設計中，ARM與PCL6045BL的連接

2.3 I/O接口電路

嵌入式四軸運動(dòng)控制器與伺服電機之間是通過(guò)I/O接口電路進(jìn)行連接的。I/O接口電路主要任務(wù)是完成輸入信號的光電隔離以及對輸出脈沖的驅動(dòng)。設計中采用光電耦合器將PCL6045BL芯片與后面的伺服電機驅動(dòng)器以及其他控制反饋等線(xiàn)路隔離。由于光耦合器輸入輸出問(wèn)互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。將PCL6045BL的輸出信號(如CP、CW等)和輸入信號(如報警、限位等)都使用光耦器件與PCL6045BL隔離，這樣能有效地防止干擾信號進(jìn)入主芯片損壞PCL6045BL。

3 軟件設計

系統軟件部分由μC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統及相關(guān)應用軟件組成。μC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統僅僅提供了一個(gè)任務(wù)調度的實(shí)時(shí)內核，因而需要自行開(kāi)發(fā)一系列與系統運行相關(guān)的設備驅動(dòng)程序、API函數及應用程序，才能將μC/OS-II擴展為一個(gè)完整、實(shí)用的實(shí)時(shí)操作系統。

3.1 Boot Loader的設計

嵌入式系統中，通常并沒(méi)有像BIOS那樣的固件程序，因此整個(gè)系統的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由Boot Loader來(lái)完成。Boot Loader是系統加電后運行的第一段代碼，負責初始化系統并啟動(dòng)操縱系統，相當于PC機的程序。Boot Loader初始化硬件設備，建立內存空間的映射圖，為最終調用操作系統內核準備好正確的環(huán)境。

Boot Loader分為階段1和階段2兩個(gè)部分，與CPU核以及存儲設備密切相關(guān)的處理工作通常都放在階段1中，且可以用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現;而階段2則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現一般的流程以及對板級的一些驅動(dòng)支持。

階段1主要進(jìn)行定義入口、設置中斷向量、系統寄存器配置、初始化寄存器等操作。而階段2主要完成調用初始化函數、初始化閃存設備、初始化內存分配函數等操作。Boot Loader是嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)的第一個(gè)環(huán)節，把實(shí)時(shí)操作系統和硬件平臺緊密地結合起來(lái)，對于嵌入式系統的軟件開(kāi)發(fā)尤為重要。

3.2 μC/OS-II在S3132440的移植

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II是一個(gè)源代碼公開(kāi)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統內核，它簡(jiǎn)化了應用軟件的設計，使控制系統的實(shí)時(shí)性得到保障。良好的多任務(wù)設計，有助于提高控制系統的穩定性和可靠性。所謂移植，就是通過(guò)修改操作系統內核與處理器相關(guān)部分的源代碼，使一個(gè)實(shí)時(shí)內核能在微處理器或微控制器上運行。μC/OS-II的文件系統結構包括核心代碼部分，配置代碼部分，處理器相關(guān)代碼部分，如圖4所示。其中處理器相關(guān)代碼部分包括OS_CPU.H,OS_CPU.A.ASM,OS_CPU.C.C 3個(gè)文件。將μC/OS-II移植到S3C2440只需要修改與處理器相關(guān)的代碼即可。

3.3 系統應用程序設計

實(shí)時(shí)應用程序的設計過(guò)程包括如何把問(wèn)題分割為多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)都是整個(gè)系統的一部分，都被賦予一定的優(yōu)先級，有自己的一套CPU寄存器和堆?？臻g。一個(gè)任務(wù)，也叫一個(gè)線(xiàn)程，是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，該程序可以認為CPU完全只屬于自己。在本設計中將任務(wù)劃分為人機界面的設計、數控指令編譯解釋、伺服單元采集任務(wù)、狀態(tài)監視等。μC/OS-II可以按照優(yōu)先級啟動(dòng)各個(gè)任務(wù)，并通過(guò)內核來(lái)完成任務(wù)之間的調度。

S3C2440根據系統的應用程序對指令進(jìn)行解釋?zhuān){用運動(dòng)控制函數，繼而PCL6045BL發(fā)出脈沖控制伺服電機去控制執行機構動(dòng)作，實(shí)現運動(dòng)控制的結果。

3.4 NC代碼解釋

運動(dòng)控制器接受來(lái)自上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的加工文件，但加工文件指令在程序中不能直接被識別，在執行指令之前必須先對其進(jìn)行解析譯碼。解釋器的主要功能就是將用戶(hù)程序以程序段為處理單位，將程序中的輪廓信息、運行速度和輔助功能信息，轉換成嵌入式運動(dòng)控制器能夠執行的格式。解釋過(guò)程主要包括數控文件的讀入、詞法分析、語(yǔ)法分析以及加工信息存儲數據結構等過(guò)程。

4 實(shí)例分析

上位機通過(guò)RS485總線(xiàn)與S3C2440連接，把NC指令文件輸入到ARM 中，經(jīng)過(guò)NC代碼解釋器，變成PCL6045BL能夠識別的代碼，從而完成規定的運動(dòng)控制功能。用NC代碼編寫(xiě)如下加工程序：

N001 COO X15 Y25//起始點(diǎn)選定

N002 G18//XY平面選擇

N003 G90 G01 X15 Y5//準備直線(xiàn)插補

N004 X30 Y5//(15，5)到(30，5)

N005 X30 Y15//前行至點(diǎn)(30，15)

N006 X45 Y15//前行至點(diǎn)(45，15)

N007 X45 Y5//前行至點(diǎn)(45，5)

N008 X60 Y5//前行至點(diǎn)(60，5)

N009 X60 Y25//前行至點(diǎn)(60，25)

N010 X15 Y25//回到始點(diǎn)(15，25)

根據上面所給的代碼可以完成如圖7所示的多點(diǎn)之間直線(xiàn)插補的功能。

5 結語(yǔ)

該運動(dòng)控制器的硬件結構是基于微處理器S3C2440和PCL6045BL運動(dòng)控制芯片設計的，它較好地發(fā)揮了ARM處理器的高性能、低成本和運動(dòng)控制芯片的高可靠性、開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn);在控制器硬件平臺上移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統既能使整個(gè)軟件系統結構簡(jiǎn)結、層次清晰，又能很好地達到運動(dòng)控制實(shí)時(shí)性的要求。