ARM+DSP的嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。近年來，工業(yè)控制對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求越來越高。傳統(tǒng)的基于PC及低端微控制器日漸暴露出高成本、高消耗、低可靠等問題，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造的要求 。隨著嵌入式技術(shù)的日益成熟，嵌人式運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)初露鋒芒?；?a target="_blank">ARM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(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

　　PCL6045BL 是一種新型專用DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度，可以實(shí)現(xiàn)高精度的多軸伺服控制。為解決精密制造對(duì)低成本、可移植性強(qiáng)的通用型多軸數(shù)控系統(tǒng)的迫切需求，文中給出一種基于ARM 微處理器S3C2440與DSP專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL構(gòu)成的嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器。該運(yùn)動(dòng)控制器具有高性能、低成本、體積小、可獨(dú)立運(yùn)行等特點(diǎn)，可以滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)高速、高精度的 要求。它可廣泛應(yīng)用于雕刻機(jī)、機(jī)器人、繡花機(jī)以及數(shù)控加工等工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　為解決精密制造對(duì)低成本、可移植性強(qiáng)的通用型多軸數(shù)控系統(tǒng)的迫切需求，給出一種基于ARM微處理器S3C2440和專用DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片 PCL65045BL組合的嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器。硬件上該控制器采用ARM+DSP的主從式雙CPU結(jié)構(gòu)，結(jié)合ARM在人機(jī)界面顯示、通信接口方面的優(yōu)勢(shì)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(tǒng)來管理運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于雕刻機(jī)、機(jī)器人、繡花機(jī)以及數(shù) 控加工等工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。

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

　　軟件方面在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上移植S3C2440實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)Boot Loader、外設(shè)驅(qū)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序。采用上述的軟硬件平臺(tái)，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器可以達(dá)到開放性能好、精度高的要求。本嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器的構(gòu)成

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

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能，可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤地執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化 。將S3C2440處理器、PCL6045BL 以及μC/OS-II三者的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到本嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器中可以使其具有強(qiáng)大的功能，并縮短開發(fā)時(shí)間。

　　本嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器以S3C2440為主控平臺(tái)，在ARM上移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來進(jìn)行人機(jī)界面的顯示、I/O的管理、任務(wù)問的通信、指令的編譯等工作。 PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制模塊主要負(fù)責(zé)位置控制，插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，速度控制。用戶的指令通過S3C2440指令編譯系統(tǒng)的編譯，通過與PCL6045BL之問的專用通信接口來控制DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)出脈沖以達(dá)到使伺服電機(jī)高速運(yùn)行。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　在控制系統(tǒng)中，以S3C2440處理器為主控核心，PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制芯片為從CPU，構(gòu)建的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 系統(tǒng)硬件

　　S3C2440是一款16/32位ARM920T RISC處理器，它實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線和獨(dú)立的16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)的緩存，每個(gè)緩存均為8個(gè)字長度的流水線。S3C2440提供全面的、通用的片上外設(shè)，不需要配置額外的部件。

　　PCL6045BL 運(yùn)動(dòng)控制芯片，由NPM公司生產(chǎn)，是一種通過總線接收CPU命令、并產(chǎn)生脈沖控制步進(jìn)電機(jī)或脈沖驅(qū)動(dòng)型伺服電機(jī)的CMOS大規(guī)模集成芯片，可提供多種輸出運(yùn)動(dòng)控制功能，包括連續(xù)、定長、回原點(diǎn)等輸出方式。PCL6045BL可以實(shí)現(xiàn)2～4軸線性插補(bǔ)及任意兩軸圓弧插補(bǔ)。

　　在這種主從結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，主CPU S3C2440主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、人機(jī)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(qū)動(dòng)器。S3C2440只需要通過發(fā)送簡單的指令給PCL6045BL，便可實(shí)現(xiàn)各種控制功能。

　　2．2 ARM 與PCL6045BL的連接

　　PCL6045 BL與ARM的通信是通過讀寫I/O總線上的幾個(gè)地址來進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。PCL6045BL每個(gè)軸的內(nèi)部寄存器地址由A0、A1 和A2地址線輸人決定，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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，ARM與PCL6045BL的連接如圖3所示。

　　圖3 PCL6045BL與S3C2440的接口電路

　　2．3 I/O接口電路

　　嵌入式四軸運(yùn)動(dòng)控制器與伺服電機(jī)之間是通過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(hào)的光電隔離以及對(duì)輸出脈沖的驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)中采用光電耦合器將PCL6045BL芯片與后面的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及其他控制反饋等線路隔離。由于光耦合器輸入輸出問互相隔離，電信號(hào)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(qiáng)的共模抑制能力。將PCL6045BL的輸出信號(hào) （如CP、CW等）和輸入信號(hào)（如報(bào)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(hào)進(jìn)入主芯片損壞PCL6045BL。