基于MCU和DSP的運動控制研究硬件平臺設計解析

　基于MCU和DSP的運動控制系統(tǒng)由于結構緊湊、環(huán)境適應性好而有良好的發(fā)展前景。由于PC機與MCU和DSP資源環(huán)境差異較大， 進行MCU和DSP環(huán)境中的運動控制技術研究十分必要。
　　基于MCU和DSP的運動控制研究硬件平臺設計遵從運動控制系統(tǒng)的開放式、可重構和網(wǎng)絡化的發(fā)展方向， 選用主流的MCU及DSP芯片S3C2410A和TMS320F2812， 適應信息網(wǎng)、控制網(wǎng)和伺服網(wǎng)（接口） 網(wǎng)絡化需求， 采用雙層、組合式模式， 實現(xiàn)了一個實用可靠的硬件環(huán)境。它可以進行單CPU、并行雙CPU和層次化多CPU的運動控制算法和系統(tǒng)支撐軟件的研究。
　　引言
　　開放式控制器體系結構源于“開放式”的PC（個人計算機） 技術， 目前的開放式運動控制器多為PC+運動控制卡結構， 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構較PC有更廣泛的環(huán)境適應性。MCU、DSP和PC差異較大， PC環(huán)境中的運動控制技術不可能直接向MCU和DSP系統(tǒng)中轉移， 基于MCU和DSP硬件平臺的運動控制技術的研究十分必要。
　　設計目標與需求分析
　　運動控制系統(tǒng)發(fā)展方向
　　在開放式控制器技術的推動下， 運動控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的封閉式結構朝著開放、可重構、網(wǎng)絡化方向發(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)軟件體系結構、拓撲結構和應用軟件接口開放， 第三方的應用軟件能在系統(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撲結構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。國標GB/T 18759.1- 2002 尚未公布可重構的詳細內容。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。
　　在MCU 和DSP 環(huán)境中運動控制技術的研究課題
　　和PC相比， MCU和DSP采用了哈佛結構， 流水線技術， 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及通信接口， 在這種環(huán)境下， 實現(xiàn)開放、可重構和網(wǎng)絡化運動控制功能， 下列研究是必要的：
　?、袤w系結構的研究， 以多CPU方式實現(xiàn)復雜的運動控制;
　?、?a target='_blank' class='arckwlink_none'>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;
　?、跰CU和DSP環(huán)境中運動控制算法的研究， 解決少資源情況下， 復雜控制算法的實現(xiàn)問題;
　　④軟件模塊管理與剪裁技術的研究， 解決通用技術方案的應用針對性問題;
　　⑤網(wǎng)絡通信技術的研究：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)設計目標與結構要求
　　基于MCU和DSP的運動控制技術研究硬件平臺的設計目標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類型與結構化模式要求：CPU選型應是主流的MCU和DSP芯片，結構體系采用單CPU，雙CPU流水線模式和層次化結構， CPU可以獨立工作， 可以組成流水線模式工作。也可以采用兩層結構，上下層分別處理不同實時要求的任務。
　?、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)。
　　③網(wǎng)絡化要求：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)設計
　　運動控制系統(tǒng)硬件結構
　　運動控制系統(tǒng)硬件基本結構如圖1 所示：