基于S3C2440和PCL6045BL的四軸運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)

運(yùn)動控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。近年來，工業(yè)控制對運(yùn)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)動控制器已經(jīng)初露鋒芒。基于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)動控制芯片PCL6045BL構(gòu)成的嵌入式四軸運(yùn)動控制器。該運(yùn)動控制器具有高性能、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)動控制芯片PCL65045BL組合的嵌入式四軸運(yùn)動控制器。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)時操作系統(tǒng)來管理運(yùn)動控制系統(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)動控制板兩個部分。S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL運(yùn)動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的基礎(chǔ)上移植S3C2440實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)Boot Loader、外設(shè)驅(qū)動以及運(yùn)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序。采用上述的軟硬件平臺，嵌入式運(yùn)動控制器可以達(dá)到開放性能好、精度高的要求。

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)動控制芯片速度快，可靠性高，性能好，在運(yùn)動控制方面有很大的優(yōu)勢。

實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II包含了實(shí)時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能，可以使各個任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤地執(zhí)行，使實(shí)時應(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)勢應(yīng)用到本嵌入式四軸運(yùn)動控制器中可以使其具有強(qiáng)大的功能，并縮短開發(fā)時間。

本嵌入式四軸運(yùn)動控制器以S3C2440為主控平臺，在ARM上移植μC/OS-II實(shí)時操作系統(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)動控制模塊主要負(fù)責(zé)位置控制，插補(bǔ)驅(qū)動，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)動控制芯片為從CPU。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，每個緩存均為8個字長度的流水線。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、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個軸的伺服驅(qū)動器。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總線上的幾個地址來進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。PCL6045BL每個軸的內(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

2.3 I/O接口電路

嵌入式四軸運(yùn)動控制器與伺服電機(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)是完成輸入信號的光電隔離以及對輸出脈沖的驅(qū)動。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(如CP、CW等)和輸入信號(如報警、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進(jìn)入主芯片損壞PCL6045BL。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由μC/OS-II實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用軟件組成。μC/OS-II實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)僅僅提供了一個任務(wù)調(diào)度的實(shí)時內(nèi)核，因而需要自行開發(fā)一系列與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序、API函數(shù)及應(yīng)用程序，才能將μC/OS-II擴(kuò)展為一個完整、實(shí)用的實(shí)時操作系統(tǒng)。

3.1 Boot Loader的設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由Boot Loader來完成。Boot Loader是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼，負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)并啟動操縱系統(tǒng)，相當(dāng)于PC機(jī)的程序。Boot Loader初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

Boot Loader分為階段1和階段2兩個部分，與CPU核以及存儲設(shè)備密切相關(guān)的處理工作通常都放在階段1中，且可以用匯編語言來實(shí)現(xiàn);而階段2則通常用C語言來實(shí)現(xiàn)一般的流程以及對板級的一些驅(qū)動支持。

階段1主要進(jìn)行定義入口、設(shè)置中斷向量、系統(tǒng)寄存器配置、初始化寄存器等操作。而階段2主要完成調(diào)用初始化函數(shù)、初始化閃存設(shè)備、初始化內(nèi)存分配函數(shù)等操作。Boot Loader是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的第一個環(huán)節(jié)，把實(shí)時操作系統(tǒng)和硬件平臺緊密地結(jié)合起來，對于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)尤為重要。