基于ＡＲＭ與ＤＳＰ的嵌入式運(yùn)動控制器設(shè)計

朱志甫　何永波　馮習(xí)濱

摘要：設(shè)計了一種基于ARM微處理器S3C2410和DSP專業(yè)運(yùn)動控制芯片MCX314As的嵌入式運(yùn)動控制器。它可廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等工業(yè)控制領(lǐng)域。該嵌入式運(yùn)動控制器具有低功耗、高性能、低價位等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微處理器；運(yùn)動控制芯片；工業(yè)控制

引言

運(yùn)動控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，而嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用還不太成熟，近年來，工業(yè)控制對運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求越來越高，為了滿足新一代運(yùn)動控制系統(tǒng)的各項性能要求，嵌入式運(yùn)動控制器應(yīng)運(yùn)而生?；贏RM與DSP運(yùn)動控制芯片相結(jié)合的新一代運(yùn)動控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮ARM微控制器與專業(yè)運(yùn)動控制芯片MCX314As的各自特點(diǎn)，可方便的構(gòu)成高性能的嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)。

運(yùn)動控制芯片MCX314As

MCX314As是日本NOVA電子有限公司的DSP運(yùn)動控制專用芯片，它是控制4軸的脈沖序列輸出驅(qū)動伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制芯片，可用于工業(yè)自動化設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、測量設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器等?？梢赃M(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進(jìn)行圓弧、直線、位模式插補(bǔ)。輸出脈沖頻率高達(dá)4MHz，誤差低于±0.5最小插補(bǔ)單元，倍率1～500。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點(diǎn)和8個輸出點(diǎn)，能獨(dú)立地設(shè)置為恒速、線性、非對稱S曲線加／減控制、非對稱梯形加／減控制，并有2個32位的邏輯、實(shí)際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。

MCX314As運(yùn)動控制芯片能與8／16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等運(yùn)動控制和實(shí)時監(jiān)視。在實(shí)際運(yùn)用時可以把所有極其復(fù)雜的實(shí)時運(yùn)動控制工作交給MCX314As芯片來處理，而主機(jī)CPU只需要向MCX314As芯片發(fā)出一系列的控制指令便能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動。

ARM微處理器S3C2410

S3C2410是韓國三星公司的32位RISC嵌入式處理器。該處理器為手持設(shè)備和一般性應(yīng)用提供了一個高性價比、低功耗、高性能的解決方案。該芯片基于ARM920T內(nèi)核，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，主頻高達(dá)200MHz。ARM920T具有全性能的內(nèi)存管理單元MMU、獨(dú)立的16kB指令和數(shù)據(jù)Cache以及高速AMBA總線接口。為了減少應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的成本，S3C2410集成了眾多的常用資源，例如：LCD控制器、NANDFlash控制器、SDRAM控制器、系統(tǒng)片選邏輯以及一些常用的通訊接口等資源，使它廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

運(yùn)動控制器的基本構(gòu)成

由S3C2410和MCX314As構(gòu)成運(yùn)動控制器。在開發(fā)板S3C2410上設(shè)計有系統(tǒng)總線預(yù)留接口，預(yù)留了S3C2410芯片上的基于通用IO口的信號線，包括16位數(shù)據(jù)線、12位地址線、片選信號和一些讀寫控制信號線，以方便用戶擴(kuò)展應(yīng)用電路。運(yùn)動控制芯片MCX314As與S3C2410處理器的連接就是通過這個標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)總線接口電路，把兩者的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線、片選信號和中斷等信號連接起來。在兩者信號連接之間加入SN74ALVC164245的芯片來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，同時驅(qū)動信號。另外還需要注意的是，我們使用的是16位數(shù)據(jù)線的傳輸，所以MCX314As芯片的H16L8引腳必須接高電平。

嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行加工的過程實(shí)際上就是從ARM上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)到MCX314As下位機(jī)的過程。其控制流程如下。

(1)加工程序運(yùn)行開始，首先對MCX314As芯片進(jìn)行初始化。對MCX314As芯片進(jìn)行設(shè)置初始速度、加速度、減加速度、加速度變化率、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方式、邏輯位置計數(shù)器清零、實(shí)際位置計數(shù)器清零等。

(2)選擇需要進(jìn)行加工的軸，MCX314As芯片有X、Y、Z、U四個軸，都有著相同的功能能力，能實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動。

(3)設(shè)置所選軸模式和運(yùn)行參數(shù)，包括直線定速模式、單步插補(bǔ)輸出模式和中斷請求。

(4)初始化位置計數(shù)器，即將數(shù)據(jù)庫中的行號寫入此計數(shù)器進(jìn)行減法計算，每處理完-行數(shù)據(jù)進(jìn)行減-處理。

(5)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)出數(shù)據(jù)后對狀態(tài)寄存器進(jìn)行檢查，加工完一段后發(fā)出信號然后再發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，一直到加工完成為止。在加工過程中一旦出現(xiàn)中斷，首先讀取各寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，等待恢復(fù)加工后再讀寫出來。整個數(shù)據(jù)庫文件輸出結(jié)束后，保存運(yùn)行系統(tǒng)完成后的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)所處的狀態(tài)信息，以備下個零件加工，由此加工結(jié)束。

運(yùn)動控制器在XY兩軸數(shù)控伺服工作臺中的應(yīng)用

XY兩軸工作臺是采用滾珠絲桿和滾動導(dǎo)軌傳動的十字工作臺(X、Y兩軸垂直)。X、Y兩軸兩端各有1個限位開關(guān)。采用松下交流伺服電機(jī)(型號MSMA022AIC，功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r／min，額定轉(zhuǎn)矩0.64Nm)驅(qū)動工作臺運(yùn)動，電機(jī)驅(qū)動器采用松下伺服驅(qū)動器MSDA023AIA。采用光電編碼器作為位置反饋器件(伺服電機(jī)同軸安裝11線2500P／r增量編碼器)。

圖2是該平臺的X軸驅(qū)動原理圖，Y軸驅(qū)動與X軸驅(qū)動電路相同。圖中M為伺服電機(jī)，EC是編碼器。將伺服驅(qū)動器的“控制模式”設(shè)置為“位置控制”，把指令脈沖設(shè)置為CW／CCW方式。S3C2410按流程圖操作MCX314As，設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)，寫入功能命令，即可完成對平臺的運(yùn)動軌跡控制。

結(jié)語

運(yùn)動控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用比較廣泛，MCX314As是高集成度的運(yùn)動控制專用芯片能實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元3種模式的連續(xù)插補(bǔ)和位置閉環(huán)控制。而ARM處理器具有強(qiáng)大的32位RISC性能，體積小、功耗低。用ARM與專業(yè)運(yùn)動控制芯片設(shè)計運(yùn)動控制器能大大減輕研發(fā)任務(wù)，加快研發(fā)速度，可以在較短時間內(nèi)得到控制性能優(yōu)異的嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)。