基于GD32H759的嵌入式運動控制系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)簡介

近年來，由于社會高速發(fā)展，對運動控制系統(tǒng)的要求越來越高。傳統(tǒng)的基于PC及低端微控制器逐漸滿足不了現(xiàn)代制造的工藝要求。隨著嵌入式技術(shù)的日臻完善，嵌入式運動控制器已經(jīng)開始在工業(yè)自動化市場上占據(jù)主導(dǎo)?；贏RM技術(shù)的微處理器具有體積小、低成本、低功耗的特點，在工業(yè)自動化運動控制領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

圖1運動控制系統(tǒng)原理

基于GD32H759系列超高性能MCU優(yōu)秀的數(shù)據(jù)計算能力，硬件設(shè)計方案方案采用ARM+FPGA的架構(gòu)。本運動控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，使用MODBUS-RTU/TCP及本公司自定義“太控”協(xié)議設(shè)計串口通訊程序，設(shè)計了動態(tài)表，將HMI的運動控制信息進行存儲，利用HMI畫面實現(xiàn)人機交互。硬件平臺設(shè)計如圖2所示。

圖2運動控制硬件平臺

系統(tǒng)框架

在系統(tǒng)中ARM是主處理器，用來實現(xiàn)系統(tǒng)的觸發(fā)、系統(tǒng)命令的發(fā)送、任務(wù)調(diào)度、切換等功能。FPGA是接收并解析ARM處理好的數(shù)據(jù)，并最終根據(jù)ARM的命令完成脈沖發(fā)送、脈沖計數(shù)及運動任務(wù)掌控等功能，作為ARM的外設(shè)使用。

大多工業(yè)自動化的運動控制都需要考慮到系統(tǒng)實時性、數(shù)據(jù)處理、以及實際應(yīng)用的需求。ARM+FPGA的硬件設(shè)計方案以ARM(GD32H759)為主控制芯片，主要完成電機參數(shù)、插補計算、人機交互、加工文件管理等控制。輔助芯片F(xiàn)PGA負責(zé)完成各軸脈沖輸出、原點檢測、輸入信號處理等。

控制器關(guān)鍵參數(shù)規(guī)格列下表所示：

ARM+FPGA的架構(gòu)與ARM+DSP架構(gòu)比較，各有優(yōu)勢，F(xiàn)PGA的構(gòu)架能產(chǎn)生多路脈沖驅(qū)動波，在多軸配合、多軸運動控制、IO擴展、存儲等方面有絕對優(yōu)勢，DSP架構(gòu)優(yōu)勢在于能實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算。

在整體設(shè)計中，F(xiàn)PGA掛在ARM的地址空間上作為ARM的外設(shè)使用。FPGA要完成掌控任務(wù)首先要先在ARM中運行包含F(xiàn)PGA所在地址的指令，運行后ARM選中FPGA,FPGA接收到自己被選中的信息后檢測地址總線上ARM發(fā)送的地址數(shù)據(jù)，解析完成總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之后開始動作。寄存器也是運動控制最重要的一環(huán)，ARM對FPGA的完全控制就是通過提前對FPGA內(nèi)部的寄存器進行配置。

圖3 GD32H759 MCU工作平臺

總結(jié)

GD32H759具有超強的計算能力，得益于優(yōu)秀的GD32H759硬件平臺，控制系統(tǒng)采用ARM+FPGA的構(gòu)架，能實現(xiàn)更多軸的同時運動控制，同等需求下較于ARM+DSP的架構(gòu)硬件成本更低，產(chǎn)品在市場競爭中優(yōu)勢更大。GD32H759經(jīng)我們方案驗證，在實際運用過程中擁有極強的穩(wěn)定性、優(yōu)異的可擴展性。

工業(yè)自動化很多客戶的需求由原來的一機專用演化為一機多用，這種運動控制器在數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、IO配置、多軸聯(lián)動等功能上都要經(jīng)得過考驗，而搭載GD32H759的ARM+FPGA的構(gòu)架能很好的搭建出適應(yīng)市場需求的平臺。

搭載GD32H759的ARM+FPGA構(gòu)架控制器平臺在脈沖頻率上遠超原本的平臺，在特殊運用環(huán)境中可配置能力更高、適用性更廣、控制處理更快，能大幅減少加工時間。