ARM+PCL6045B的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)
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運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件。目前，國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器大致可以分為3類：
第1類是以單片機(jī)等微處理器作為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器。這類運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢、精度不高、成本相對(duì)較低，只能在一些低速運(yùn)行和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。
第2類是以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大多只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開環(huán)控制方式。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒(méi)有前饋功能，特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合不能使用這類控制器。
第3類是基于PC總線的以DSP或FPGA作為核心處理器的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。這類開放式運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插件形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣的運(yùn)動(dòng)控制器具有信息處理能力強(qiáng)，開放程度高，運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確，通用性好的特點(diǎn)。但是這種方式存在以下缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)控制卡需要插入計(jì)算機(jī)主板的PCI或者ISA插槽，因此每個(gè)具體應(yīng)用都必須配置一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)。這無(wú)疑對(duì)設(shè)備的體積、成本和運(yùn)行環(huán)境都有一定的限制，難以獨(dú)立運(yùn)行和小型化。
針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM+DSP的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器將嵌入式CPU與專用運(yùn)動(dòng)控制芯片相結(jié)合，將運(yùn)動(dòng)控制功能以功能模塊的方式嵌入到ARM主控板的架構(gòu)，把不需要的設(shè)備裁減掉，既兼顧功能又節(jié)省成本。該控制器是一種可以脫離上位機(jī)單獨(dú)運(yùn)行的一種獨(dú)立型運(yùn)動(dòng)控制器，具有良好的應(yīng)用前景。
1 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的硬件主要包括兩個(gè)部分：ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制板。這兩塊控制板通過(guò)通用I／O口以總線的方式連接在一起。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以分別對(duì)ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制板進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再調(diào)試。這種將ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制板分開設(shè)計(jì)和調(diào)試的硬件方案，將設(shè)計(jì)難點(diǎn)分散，使設(shè)計(jì)和調(diào)試更簡(jiǎn)單。
1．1 ARM主控板部分
本系統(tǒng)采用的ARM芯片為Samsung公司推出的16／32位RISC處理器S3C2440A，主頻為400 MHz，最高頻率可達(dá)533 MHz。ARM主控板以嵌入式處理器S3C2440A為核心，外擴(kuò)存儲(chǔ)器和通用設(shè)備接口。ARM主控板的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
通過(guò)通用I／O接口與DSP運(yùn)動(dòng)控制板通信，實(shí)現(xiàn)ARM主控板與運(yùn)動(dòng)控制板之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向傳送；外部NAND Flash存儲(chǔ)器(64 MB)，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)指令；NOR Flash存儲(chǔ)器(2 MB)，用于存放系統(tǒng)運(yùn)行程序；SDRAM存儲(chǔ)器(64 MB)，用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)串口、以太網(wǎng)接口、USB接口與上位機(jī)系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的傳送；通過(guò)LCD接口，實(shí)現(xiàn)320×240分辨率液晶屏的圖形與字符顯示，并具有觸摸屏接口，提供友好的人機(jī)交互界面；通過(guò)I／O擴(kuò)展接口，提供可編程的數(shù)字I／O通道；通過(guò)JTAG接口與PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行程序的仿真調(diào)試及下載，軟件升級(jí)接口。
1．2 DSP運(yùn)動(dòng)控制板部分
本系統(tǒng)DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片選用PCL6045B。PCL6045B是一種功能十分強(qiáng)大的DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片。芯片能夠控制四軸，并實(shí)現(xiàn)兩軸到四軸直線差補(bǔ)、兩軸圓弧差補(bǔ)。所有插補(bǔ)計(jì)算由芯片完成，上位機(jī)只需寫入圓弧的參數(shù)即可，其多軸插補(bǔ)控制功能特別優(yōu)秀。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。主CPU為ARM處理器，負(fù)責(zé)鍵盤、顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等管理工作；從CPU為PCL6045B運(yùn)動(dòng)控制芯片，專門負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制的處理工作。PCL6045B與ARM的通信是靠讀寫I／O總線上的幾個(gè)地址來(lái)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
1．3 ARM處理器與運(yùn)動(dòng)控制芯片的連接
通過(guò)設(shè)置引腳IF0與IF1，PCL6045B芯片與不同的CPU相連，如表1所列。
本系統(tǒng)設(shè)置IF1：IF0=0：1，CPU連接如圖3所示。
2 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)可根據(jù)被控對(duì)象的特征設(shè)計(jì)不同的模塊化用戶軟件，來(lái)滿足不同的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。模塊化軟件恰好是Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。Linux還可以根據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的裁減和定制，源碼開放，網(wǎng)絡(luò)支持功能強(qiáng)大，價(jià)格上也更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)等。所以該控制器選用Linux作為片上系統(tǒng)(SoC)。但是，Linux并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此，通過(guò)實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁RTAI(Real Time Application In-terface)，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，將Linux內(nèi)核當(dāng)作它的優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)執(zhí)行，從而保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的控制軟件分為兩個(gè)區(qū)域：非實(shí)時(shí)域和實(shí)時(shí)域。非實(shí)時(shí)域是建立在普通Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上的，其主要包括系統(tǒng)初始化和通信模塊。
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