基于SOPC的簡易運動控制芯片方案
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現(xiàn)在的運動控制器已經(jīng)發(fā)展到了以專用芯片(ASIC)或FPGA作為核心處理部件的開放式運動控制器。這樣的解決方案突出的特點，是讓運動控制的處理部分以獨立的、硬件性方式展開，增加系統(tǒng)的性能和可靠性,從而有效地解決了以單純的MCU或DSP系統(tǒng)的處理帶寬限制，以及用戶系統(tǒng)軟件和運動控制軟件混雜性的問題。
業(yè)界也早已出現(xiàn)了各種類型的運動控制專用芯片，雖然有較高的功能、性能，但一般都比較復(fù)雜，使得客戶應(yīng)用起來非常困難。
用戶們常常需要一種容易使用的運動控制芯片與通用MCU/CPU結(jié)合起來的系統(tǒng)方案，用以面向更一般性的或中低端的應(yīng)用場合。這樣的方案里，運動控制芯片部分可以擔(dān)當(dāng)關(guān)鍵的馬達控制信號發(fā)生功能，又可以擁有較高的性能和其他的系統(tǒng)性接口資源(若是利用8253/8254之類的計數(shù)器，就顯得捉襟見肘，計數(shù)長度太短，且沒有其他資源）；而在MCU/CPU部分可以通過一些簡單的控制指令完成對馬達運動的控制，更多的資源用來處理系統(tǒng)界面或應(yīng)用軟件。
簡單而言，就是需要一個方案有效地協(xié)調(diào)了運動控制系統(tǒng)的軟硬件的分工，軟件部分方便客戶開發(fā)，硬件部分確保系統(tǒng)性能。
深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司(Smarteer)推出的SM1000系列SOPC運動控制芯片就是上述需求的解決方案。它是在高性能系列運動控制FPGA/芯片—SM5000方案后，經(jīng)過不斷的技術(shù)積累和市場調(diào)查后，特地為中低端市場應(yīng)用推出的。
SM1000是一個簡易的運動控制芯片系列，它提供長達32位的可編程計數(shù)和脈沖發(fā)生的功能，脈沖頻率可以高達10M赫茲以上，同時在芯片內(nèi)部增加了許多系統(tǒng)性的資源，比如：內(nèi)置3-8譯碼器、地址鎖存器、矩陣鍵盤掃描接口和通用I/O等。由于芯片是SOPC技術(shù)方案，因此還可以根據(jù)客戶的具體需求做定向化的設(shè)計。
SM1000簡易而又方便于客戶應(yīng)用，它面向更廣泛、更一般的運動控制應(yīng)用領(lǐng)域。利用它結(jié)合MCU/CPU可以便捷地組建成一個運動控制系統(tǒng)，尤其是一些嵌入式、系統(tǒng)集成的應(yīng)用系統(tǒng)。
SM1000非常適合于獨立多軸的馬達控制場合，同時結(jié)合控制軟件也可以非常靈活地實現(xiàn)常見的加減速運動控制，甚至多軸聯(lián)動控制。
以下是SM1000系列芯片技術(shù)特點和應(yīng)用介紹。
一、SM1000芯片方案的技術(shù)指標
⑴ 輸入時鐘CLK頻率最高到78MHz；
⑵ 1-4路32位計數(shù)器，可達計數(shù)范圍為：1~ 2,147,483,647；
⑶ 1-4路32位直接脈沖分頻器，可設(shè)置頻率系數(shù)范圍為：1~ 2,147,483,647；
⑷ 1-4路正/反向脈沖輸出，可接成差分輸出；
⑸ 1-4路正/反向脈沖輸出有效指示，可接成差分輸出；
⑹ 最高輸出脈沖頻率為：CLK/64(SM1001不同)；
⑺ 其他功能：
a) 內(nèi)置3-8譯碼器，輸出7個附加片選信號；
b) 8通用輸入+8通用輸出；
c) 可接8x8矩陣鍵盤，直接讀取按鍵編碼/有效值；
d) 8位數(shù)據(jù)接口(內(nèi)置地址鎖存，可以直接接MCS51 CPU)。
二、SM1000系列規(guī)格 
三、SM1000功能框圖 
圖1. SM1000功能框圖
1. 復(fù)位
2. 鎖存
3. 總線
4. 2-4路計數(shù)器
5. 2-4路32位脈沖分頻器
6. GPIO
7. 3-8譯碼器
8. 8x8矩陣鍵盤
四、功能引腳介紹 
五、應(yīng)用方向舉例
1. 步進馬達控制器
2. 輕紡設(shè)備：縫紉機/繡花機等
3. 機器手/臂
4. 空間座標測量/定位系統(tǒng)
5. 經(jīng)濟型通用運動控制器
6. 鉆孔、銑邊設(shè)備
7. 其他
六、編程應(yīng)用介紹
A、CPU接口
該芯片采用通用8051 8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用接口。由于芯片內(nèi)置了地址鎖存器，因此可以直接與8051單片機地址/數(shù)據(jù)總線相連，而不需要通過地址鎖存器分離出地址和數(shù)據(jù)總線。另外，該芯片內(nèi)置了一個3-8譯碼器，可以輸出7個片選信號，以供用戶擴展地址譯碼用。這樣，極大地方便了用戶基于8051單片機的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。整個接口只需要14根線。包括：
a) 8根地址/數(shù)據(jù)總線：AD0~7
b) 3根片選線：CS1~3
c) 1根地址鎖存允許線：ALE
d) 1根讀允許線：RD_n
e) 1根寫允許線：WR_n
輸出7根片選線，地址劃分見地址分配表。
B、地址分配
C、CPU讀/寫操作
讀寫脈沖計數(shù)器：
脈沖計數(shù)器的值可以用命令直接寫，但要讀出時，就必須先用鎖存脈沖計數(shù)器值命令，先鎖存起來，再用命令直接讀；如下所示。
寫脈沖計數(shù)器操作格式：
a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;
其中：地址=基地址+0+nn*16+mm; nn=(0~3)為通道號，mm=(0~3)為字節(jié)地址；
數(shù)據(jù)為8位字節(jié)數(shù)據(jù)。
讀脈沖計數(shù)器操作格式：
a、(*鎖存地址)= 任意數(shù)據(jù);
b、變量=(*讀地址);
其中：鎖存地址=基地址+10+nn*16; nn=(0~3)為通道號，10為鎖存脈沖計數(shù)器地址；
鎖存命令的數(shù)據(jù)為8位字節(jié)任意數(shù)據(jù)，其值無意義。
讀地址=基地址+0+mm; mm=(0~3)為字節(jié)地址；
注意：脈沖計數(shù)器長度為32位，允許全范圍設(shè)置：0x00000000~0xFFFFFFFF。實際輸出脈沖個數(shù)由下面公式給出：
脈沖個數(shù)=（脈沖計數(shù)器值+1）/2；
當(dāng)脈沖計數(shù)器值為最大值0xFFFFFFFF時，允許最大脈沖個數(shù)為2,147,483,648。
當(dāng)脈沖計數(shù)器值為最小值0x00000001時，允許最小脈沖個數(shù)為1。
其中，脈沖計數(shù)器值應(yīng)該為奇數(shù)，如為偶數(shù)，則最后一個脈沖寬度很窄。輸出脈沖為對應(yīng)頻率的方波。
寫脈沖頻率數(shù)據(jù)：
寫脈沖頻率數(shù)據(jù)操作格式：
a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;
其中：地址=基地址+4+nn*16+mm; nn=(0~3)為通道號，mm=(0~3)為字節(jié)地址；
數(shù)據(jù)為8位字節(jié)數(shù)據(jù)。
32位情況：脈沖頻率值長度為32位，允許設(shè)置范圍為：0x00000001~0xFFFFFFFF。實際輸出脈沖頻率由下面公式給出：
當(dāng)脈沖頻率值0x00800000 時：
脈沖頻率=(輸入時鐘頻率/228)*脈沖頻率值；
當(dāng)脈沖頻率值≥0x00800000 時：
脈沖頻率=(輸入時鐘頻率/（236+228）*脈沖頻率值。
24位情況：脈沖頻率值長度為24位，允許設(shè)置范圍為：0x000001~0xFFFFFF。實際輸出脈沖頻率由下面公式給出：
當(dāng)脈沖頻率值0x00400000 時：
脈沖頻率=(輸入時鐘頻率/225)*脈沖頻率值；
當(dāng)脈沖頻率值≥0x00400000 時：
脈沖頻率=(輸入時鐘頻率/（233+225）*脈沖頻率值。
啟動脈沖通道工作：
啟動脈沖通道工作操作格式：
a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;
其中：地址=基地址+8;
數(shù)據(jù)為8bit字節(jié)，作為允許啟動標志，定義為：
D0----為1時，允許通道1啟動，為0時不啟動；
D1----為1時，允許通道2啟動，為0時不啟動；
D2----為1時，允許通道3啟動，為0時不啟動；
D3----為1時，允許通道4啟動，為0時不啟動。
停止脈沖通道工作：
停止脈沖通道工作操作格式：
a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;
其中：地址=基地址+9;
數(shù)據(jù)為8bit字節(jié)，作為允許停止標志，定義為：
D0----為1時，允許通道1停止，為0時不停止；
D1----為1時，允許通道2停止，為0時不停止；
D2----為1時，允許通道3停止，為0時不停止；
D3----為1時，允許通道4停止，為0時不停止。
回讀數(shù)據(jù)鎖存：
CPU要讀相應(yīng)功能的數(shù)據(jù)，就必須先鎖存其數(shù)據(jù)，才能讀；否則，只能讀取上次鎖存的數(shù)據(jù)。共有下面三種功能數(shù)據(jù)：
1. 脈沖計數(shù)器值：32bit；
2. 通用輸入口值：8bit；
3. 按鍵編碼值： 7bit；
CPU讀數(shù)據(jù)是按8 bit字節(jié)讀方式進行的，32 bit脈沖計數(shù)器值需要讀4次，可按0~3任意順序讀取。8 bit值只能從地址0讀取。格式為：
a、(*鎖存地址)= 任意數(shù)據(jù);
b、變量=(*讀地址);
其中：鎖存地址和讀地址，可參見地址分配表3。
8/8位通用輸入/輸出口：
該芯片包含8位通用輸入口和8位通用輸出口。
8位通用輸入口讀命令為：
a、(*鎖存地址)=任意數(shù)據(jù);
b、變量=(*讀地址);
其中：鎖存地址=基地址+12；
讀地址=基地址+0；（所有讀地址相同）
8位通用輸出口寫命令為：
a、(*寫地址)= 數(shù)據(jù);
其中：寫地址=基地址+11；
寫數(shù)據(jù)為8位字節(jié)數(shù)據(jù)。
8x8鍵盤接口：
該芯片支持8X8矩陣鍵盤，自動掃描鍵盤，識別按鍵鍵碼，CPU通過接口可讀取當(dāng)前按鍵編碼值。命令如下：
a、(*鎖存地址)=任意數(shù)據(jù);
b、變量=(*讀地址);
其中：鎖存地址=基地址+28；
讀地址=基地址+0；（所有讀地址相同）
按鍵編碼格式：
標志位：為1表示有鍵正按下，為0表示沒有按鍵；
X：忽略；
回讀碼：取0~7為當(dāng)前按鍵所對應(yīng)的行(或列)編碼，特指輸入線(KBC_0~7)；
掃描碼：取0~7為當(dāng)前按鍵所對應(yīng)的列(或行)編碼；特指輸出線(KBS_0~7)；
七、編程示例
//A、地址常量定義：（設(shè)芯片基地址為0xe000）
#define MC_sys_CLK 32000000 //定義芯片工作頻率
#define MC_CNT_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe000 //定義計數(shù)器值寫基地址
#define MC_CNT_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00A //定義計數(shù)器鎖存寫基地址
#define MC_FRQ_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe004 //定義頻率值寫基地址
#define MC_Startup_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe008 //定義啟動寫基地址
#define MC_Stop_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe009 //定義停止寫基地址
#define MC_GPOut_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00B //定義通用輸出值寫基地址
#define MC_GPIn_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00C //定義通用輸入值鎖存寫基地址
#define MC_KB_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe01C //定義鍵盤編碼值鎖存寫基地址
#define MC_ RD_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe000 //定義回讀值讀基地址
//B、子程序片：
//0、延遲子程序：芯片讀/寫命令間要求有一定的定時間隔。
void delay(int n)
{ int i;
for( i = 0; i}
//1、寫第n通道脈沖數(shù)值（必須為奇數(shù)）
cnt = Np*2-1;
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+0] = (char)((cnt>> 0) 0x0ff);delay(10);
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+1] = (char)((cnt>> 8) 0x0ff); delay(10);
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+2] = (char)((cnt>>16) 0x0ff); delay(10);
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+3] = (char)((cnt>>24) 0x0ff);
//2、讀第n通道脈沖數(shù)值
MC_CNT_Latch_WR_Base_Addr [n*16+0] = (char)0; delay(10); //鎖存第n通道脈沖數(shù)值
Cnt = MC_ RD_Base_Addr [0]; delay(10); //回讀數(shù)據(jù)0字節(jié)
Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [1]8; delay(10); //回讀數(shù)據(jù)1字節(jié)
Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [2]16; delay(10); //回讀數(shù)據(jù)2字節(jié)
Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [3]24; //回讀數(shù)據(jù)3字節(jié)
if( Cnt ==0xffffffff )
{ //第n通道脈沖輸出完處理
}
//3、寫第n通道脈沖頻率值
Nfrq= frq_pulse*0x10000000/MC_sys_CLK; //注意整數(shù)運算溢出問題
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+0] = (char)((Nfrq>> 0) 0x0ff); delay(10);
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+1] = (char)((Nfrq>> 8) 0x0ff); delay(10);
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+2] = (char)((Nfrq>>16) 0x0ff); delay(10);
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+3] = (char)((Nfrq>>24) 0x0ff);
//4、啟動多個通道脈沖工作
MC_Startup_WR_Base_Addr[0] = (F0 1) | ((F11)2) | ((F22)4 | ((F33)8) ;
//5、停止多個通道脈沖工作
MC_Stop_WR_Base_Addr[0] = (F0 1) | ((F11)2) | ((F22)4 | ((F33)8) ;
//6、8位通用輸出口輸出
MC_GPOut_WR_Base_Addr [0] = (char)(GPOut 0x0ff) ;
//7、8位通用輸入口輸入
MC_GPIn_Latch_WR_Base_Addr [0] = (char)0; delay(10); //鎖存通用輸入口值
GPIn_V = MC_ RD_Base_Addr [0] ;
//8、7位鍵盤按鍵編碼輸入
MC_KB_Latch_WR_Base_Addr [0] = (char)0; delay(10); //鎖存按鍵編碼值
KBCode = MC_ RD_Base_Addr [0] ;
if(KBCode 0x80)
{
//當(dāng)前有按鍵按下處理
}
八、基于SM1000的運動控制系統(tǒng)框圖
在圖2方案里，除了1-4軸運動控制本身之外，在板上根本不需要譯碼器、鎖存器之類的芯片，按鍵掃描電路也節(jié)省了不少MCU帶寬開銷，數(shù)字量通用輸出/輸入也增加了系統(tǒng)的控制方便性。
圖2. 基于SM1000的運動控制系統(tǒng)框圖
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