基于MCU+DSP的運動控制硬件平臺設(shè)計

　　引言

　　開放式控制器體系結(jié)構(gòu)源于“開放式”的PC(個人計算機) 技術(shù), 目前的開放式運動控制器多為PC+運動控制卡結(jié)構(gòu), 隨著MCU(微控制器) 和DSP(數(shù)字信號處理器)性能的增強, MUC和DSP取代PC的趨勢日趨明顯, 而這種嵌入式的緊湊結(jié)構(gòu)較PC有更廣泛的環(huán)境適應(yīng)性。MCU、DSP和PC差異較大, PC環(huán)境中的運動控制技術(shù)不可能直接向MCU和DSP系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移, 基于MCU和DSP硬件平臺的運動控制技術(shù)的研究十分必要。

　　設(shè)計目標(biāo)與需求分析

　　運動控制系統(tǒng)發(fā)展方向

　　在開放式控制器技術(shù)的推動下, 運動控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的封閉式結(jié)構(gòu)朝著開放、可重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。按照《開放式數(shù)控系統(tǒng)第1 部分: 總則》(GB/T18759.1- 2002) 的定義, 開放式數(shù)控系統(tǒng)有三個層次的開放, 第一層, 系統(tǒng)功能可配置, 人機界面、伺服驅(qū)動單元的運動控制接口、邏輯控制單元接口均開放; 第二層, 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件接口開放, 第三方的應(yīng)用軟件能在系統(tǒng)中安裝運行并實現(xiàn)互操作性, 且第三方的軟件模塊可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下對本系統(tǒng)軟件模塊置換和擴展; 第三層

, 系統(tǒng)實現(xiàn)可重構(gòu)。國標(biāo)GB/T 18759.1- 2002 尚未公布可重構(gòu)的詳細(xì)內(nèi)容。運動控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的一個核心組件, 其技術(shù)發(fā)展方向和開放式數(shù)控系統(tǒng)類似。現(xiàn)代運動控制器聯(lián)通信息網(wǎng)、邏輯控制網(wǎng)和伺服控制網(wǎng)(接口) 三種網(wǎng)絡(luò)。

　　在MCU 和DSP 環(huán)境中運動控制技術(shù)的研究課題

　　和PC相比, MCU和DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu), 流水線技術(shù), 超長指令字, 加乘器等提高CPU速度, 并在片上擴展了控制用前向和后向通道外設(shè)及通信接口, 在這種環(huán)境下, 實現(xiàn)開放、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化運動控制功能, 下列研究是必要的:

　?、袤w系結(jié)構(gòu)的研究, 以多CPU方式實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制;

　　②嵌入式系統(tǒng)中實時操作系統(tǒng)的研究, 解決MCU和DSP控制器系統(tǒng)軟件問題;

　　③MCU和DSP環(huán)境中運動控制算法的研究, 解決少資源情況下, 復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)問題;

　?、苘浖K管理與剪裁技術(shù)的研究, 解決通用技術(shù)方案的應(yīng)用針對性問題;

　?、菥W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究:解決伺服通信網(wǎng)、邏輯控制網(wǎng)和信息網(wǎng)通信問題。

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與結(jié)構(gòu)要求

　　基于MCU和DSP的運動控制技術(shù)研究硬件平臺的設(shè)計目標(biāo)是為上述研究課題提供硬件系統(tǒng)環(huán)境, 以MCU或DSP為核心的商品化運動控制器并不少見,但它們只對用戶提供運動控制函數(shù)庫的接口, 并不是完全意義上的開放, 必須開發(fā)運動控制器的硬件研究平臺, 并滿足下列要求:

　　①類型與結(jié)構(gòu)化模式要求:CPU選型應(yīng)是主流的MCU和DSP芯片,結(jié)構(gòu)體系采用單CPU,雙CPU流水線模式和層次化結(jié)構(gòu), CPU可以獨立工作, 可以組成流水線模式工作。也可以采用兩層結(jié)構(gòu),上下層分別處理不同實時要求的任務(wù)。

　?、陂_放性要求:各CPU單元配置計算機通信接口, 如RS232、PCI、CAN、USB 等, 可以方便地實現(xiàn)硬件互聯(lián)。

　?、劬W(wǎng)絡(luò)化要求:配有伺服單元接口、現(xiàn)場總線接口和以太網(wǎng)接口。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　運動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　運動控制系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

　　控制器聯(lián)通人機界面和三種網(wǎng)絡(luò)?？刂破髋c人機界面的聯(lián)接多采用開放的工業(yè)現(xiàn)場總線ModBus 等;控制器通過以太網(wǎng)接口與Internet/Intranet聯(lián)接, 實現(xiàn)與管理信息系統(tǒng)的交互;控制器多通過現(xiàn)場總線如CAN、ModBus和RS485等與網(wǎng)絡(luò)化的PLC工作站通信, 處理控制對象的大量I/O;控制器和高速伺服網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接, 傳送伺服放大器的控制信號, 但該方案技術(shù)難度高, 只有少數(shù)企業(yè)采用專用的高速伺服通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了伺服電機的組網(wǎng), 多數(shù)方案還是采用的規(guī)范化的電機接口, 一個伺服電機的接口如下:

　　①2路脈沖波形輸出, 其間相位差900, 或者其中一路可以作為方向信號( 高或低) ;

　?、?路AD輸出, 一般為±10V,位數(shù)為12位或16位;

　?、?路增量編碼器脈沖輸入, 一路來自伺服電機,另一路來自執(zhí)行機構(gòu)終端;

　　④3路數(shù)字信號輸出, 包括伺服使能、正轉(zhuǎn)限制、反轉(zhuǎn)限制;

　　⑤4路數(shù)字信號輸入, 包括伺服準(zhǔn)備好、左極限、右極限和零位信號;

　　上述接口電路也可以聯(lián)接步進電機。運動控制器的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)如圖2 所示:

　　上層控制器處理復(fù)雜控制算法及弱實時任務(wù), 下層控制器處理插補與伺服控制等強實時任務(wù)。兩個DSP構(gòu)成雙DSP流水線模塊, 并行處理復(fù)雜實時控制任務(wù)。

　　運動控制系統(tǒng)研究硬件平臺設(shè)計

　　主芯片選型

　　MCU與DSP芯片選型的原則是適用與廣泛性原則, 選用的芯片適用于開放式控制器設(shè)計并有廣泛的硬件與軟件資源。三星公司S3C2410A芯片采用ARM920T內(nèi)核, 主頻高達(dá)266MHz, 支持WinCE與Linux及μC/OS- II實時操作系統(tǒng), 可擴展的地址空間1G, 并配有中斷、AD、UART、GPIO、觸摸屏和TFT接口等片上外設(shè); 德洲儀器公司的TMS320F2812DSP 芯片的主頻150MHz, 支持DSP/BIOS和μC/OS- II 實時操作系統(tǒng), 可擴展的地址空間為1M, 并配有中斷、AD、串行接口、事件管理器等片上外設(shè)。這兩種CPU中,S3C2410A主要用于控制系統(tǒng)管理、監(jiān)控和復(fù)雜控制算法的實現(xiàn), DSP主要用于伺服電機接口和反饋、濾波等強實時控制算法的實現(xiàn)。

　　硬件系統(tǒng)配置

　　整個研究平臺硬件配置了三塊主機板和一個背板, 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示:

　　三塊主機板可以單獨使用, 也可以組合使用, 它提供了MCU和DSP及雙DSP的硬件平臺S3C2410A。主機板的USB是Host, 另兩塊板的USB是Device配置, 另外, S3C2410A主機板和F2812主機板還通過背板有串口通信、GPIO及中斷溝通, 可以組合成一個以S3C2410A主機板為

上位機, F2812 - 1和F2812- 2主機板為下位機的雙層結(jié)構(gòu), S3C2410A主機板處理弱實時任務(wù), DSP處理強實時任務(wù);

　　弱實時任務(wù)包括系統(tǒng)監(jiān)控、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜控制算法, 強實時任務(wù)包括插補計算、數(shù)字濾波和PID控制等算法。由此來驗證MCU和DSP環(huán)境中的算法可行性。

　　CPU 擴展與外設(shè)配置

　　針對本系統(tǒng)設(shè)計要求, S3C2410A主機板原理框圖如圖4所示。選用兩片HY58V561620CT- H, 構(gòu)成16M×32位RAM空間; 選用兩片E28F128J3A150, 構(gòu)成16M×32 位Flash空間; CPLD選用XC9536, 用于GPIO地址譯碼和QEP接口的實現(xiàn), 選用DAC8534A串行16位DAC擴展數(shù)模轉(zhuǎn)換接口, 采用CS8900A 以太網(wǎng)芯片擴展網(wǎng)絡(luò)接口。

　　F2812-1主機板原理框圖如圖5所示, 選用IS61V5126, 擴展256KROM空間, 選用AM29LV800BT擴展512KFlash, 選用XC95144XL進行GPIO地址譯碼, 選用AN2131Q作USB Device的擴展, 在McBSP串口上擴展16位DAC8534A用于伺服的速度與力矩控制。特別的, F2812提供了完善的伺服電機接口, 它有兩個事件管理器, 每個事件管理器包括兩個通用計數(shù)器, 三個比較/PWM單元, 三個捕捉單元, QEP通道。PWM和通用計數(shù)器配合可用作伺服控制器的位置控制模式輸入, QEP通道可用作伺服電機的位置編碼器脈沖輸入, 執(zhí)行器終端的編碼器信號通過CPLD擴展QEP輸入。

　　F2812-2主機板原理框圖如圖6所示, 為了驗證多電機的并行控制算法, 在F2812-1主機板的基礎(chǔ)上, 用雙口RAMIDT70V25將兩個CPU聯(lián)接起來, 形成了一個對稱結(jié)構(gòu)。按目前板上的電機接口配置, 每塊板可接兩路全閉環(huán)伺服電機, F2812-2主機板可接四路全閉環(huán)的伺服電機。

　　結(jié)論

　　選用S3C2410A和F2812作運動控制系統(tǒng)的嵌入硬件研究平臺, 組成一個多CPU的雙層控制器結(jié)構(gòu),既可以單獨進行單MCU和DSP環(huán)境中的運動控制算法研究, 又可以進行多CPU平行模式的復(fù)雜運動控制系統(tǒng)研究。系統(tǒng)簡練、可靠, 符合運動控制器的開放式、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。

　　本文作者創(chuàng)新點:針對嵌入式運動控制器發(fā)展趨勢,設(shè)計實現(xiàn)了一個開放式、可重構(gòu)、多CPU的運動控制器硬件平臺, 該平臺可用于復(fù)雜運動控制系統(tǒng)的研究。