（机械电子工程专业论文）基于arm的嵌入式运动控制系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 运动控制技术是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理， 使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动的技术。运动控制技 术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控制技术、 微机应用技术的全面发展。目前，采用微处理器、f p g a c p l d 、通用计算 机、d s p 控制器等嵌入式技术构成的数字控制系统正得到迅速发展。嵌入 式运动控制系统硬件的设计、底层软件和上位机界面的实现，以及运动控 制芯片控制方法的研究是本论文研究的主要任务。 本文主要研究的主要内容为，首先，综述了运动控制系统的作用以及 发展现状；并简单介绍了嵌入式系统的概况。其次，对所要研究的运动控 制系统进行了需求分析并确定了a r m 处理器与运动控制芯片的选型，提出 了嵌入式数控系统的总体结构模型。再次，介绍了嵌入式运动控制系统硬 件部分的总体结构设计，并详细地介绍了各部分电路的设计及原理图。再 次，介绍了嵌入式运动控制系统软件部分的设计和实现。再次，介绍了系 统的实现与调试过程，并给出了各种运动模式调试的结果。其中，研究的 重点是硬件酌电路的设计和实现、底层操作系统 t c o s - - i ! 的移植、上位机 界面的设计和运动控制芯片的控制方法，包括系统多线程和串口编程的实 现，s m 5 0 0 4 的总线读写操作及运动模式控制、插补控制等。最后对本文的 研究内容做了总结，并对基于a r m 的嵌入式运动控制系统的发展作了展 望。 关锢l 词：运动控制系统，嵌入式系统，a r m 处理器，s m s 0 0 4 ，p c o s v 上海大学硕士学位论文 a b s t i t a c t m o r o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi sat e c h n o l o g yo f c o n t r o l l i n gt h em o t i o nr e a l - t i m em n si n t h es p e c i f i e dp a r a m e t e r sa sp o s i t i o n ，s p e e de t c ，l u n sa c c o r d i n gt h el * o u t co f p r e s e tc u r v e t h e d e v e l o p m e n to fm c tr o o 协i nt h ed e v e l o p m e n to fm i e r o - d e e 臼o n i e s ，p o w e re l e c t r o n i c ， 剐m s o r a u t o m a t i cc o n 圩o la n dm i c r o c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c l m o l o g y a d o p t e dm o d e m m e l t n so fe m b e d d e ds y s t e ms u c ha sg e n e r a l - p u r p o s ec o m p u t e ra n dd s p n u m e r i e a le o n 仃o l s y s t e mi sr a p i d l yc l e v e l o p e d t h er e s e a r c ho l lt h eh a r d w a r ea n ds o t t w a r eo ft h ee m b e d d e d s y s t e m ，t h ed e s i g no f p o s i d o nm a c h i n e si n t e r f a c ea n dt h em e t h o do f e o n 仃o l l i n gm o v c m c n t c o n t r o lc h i pa t h ek e ，o f t h i st h e s i s i nt h ep a p e r , t h e r ea t h ef o l l o w i n gm a j o re o n t e n t s f i r s n y i ts u m m a r i z e dt h e d e v e l o p m e n ta n dt r e n do fm o f i o ne o n 协o lt e e l m i q u ea n dt h ep r e s e n tg e n e r a ls i t u a t i o n t h e g e n e r a ls i t u a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mi nb r i e fi si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h es y s t e m d e m a n da n a l y s i si sc a r r i e do na n dt h ea r ma n dm o v e m e n tc o n 臼o lc h i pa ”i n 雠o d u c e d , t h e t o t a ls l r u e t u r ed e s i g ni sp r l t ot h i r d l 弘t h et o t a ld e s i g no f t h eh a r d w a r ei sp r o p o s e da n dt h e d e s i g no ft h ep r i tc i r c u i ti nd e t a i l si si l l u s t r a t e d f o u r t h l y , t h et o t a ld e s i g no fs o t l w a r ea n d t h er e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e ma i n t r o d u c e d f i t t h l y t h ep r o c e s so fs y s t e mr e a l i z a t i o na n d d e b u gi sp r e s e n t e da n dt h er e s u l t so fd e b u ga o b t a i n e d t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d i n gt h e d e s i g no fh a r d w a r e ，t h et r a n s p l a n to fi c o s d la n d t h ed e s i g no fp o s i d o nm a c h i n e s i n t e r f a c e ，t h em e t h o do fc o n t r o l l i n gm o v c l l l e l l tc o n t r o lc h i pi si n t r o d u c e di n c l u d i n gw r i t i n g 0 1 r e a d i n g $ m 5 0 0 4b yb u s ，t h em o d e lo fm o v e - a l c l l tc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h er e s e a r c he o n t e n t s o ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e ns u m m a t i 2 e da n dt h ep r o s p e c to fe m b e d d e dm o t i o ne o n 仃o l s y s t e mh a sb e e no p e n e di l p k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m , a r m ，$ m 5 0 0 4 ，p c o s - v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：籼红新躲蛳期：肆西z 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 在电气时代的今天，电动机在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。 无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设 备，还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。据资 料统计，现在有9 0 5 以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有6 0 用于电动机。 电动机与人们的生活息息相关，密不可分。众所周知，动力和运动是可以 相互转换的。从这个意义上来讲，电动机也是最常用的运动源。对运动控制的 最有效方式是对运动源的控制，因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控 制。运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望 的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力 的控制。 运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的现代运动控制系统 的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和 传感器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元 为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的 一种控制装置。它的主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必 要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。伺服 控制技术经历了交磁电机扩大机系统、磁放大器控制、晶体管控制、集成电路 控制、计算机控制的发展过程，至今已进入了一个全新的时期，其主要标志为 智能功率集成电路和数字信号处理器的出现，使得伺服系统模块化和全数字化 容易实现，长期以来建立在现代控制理论或其它一些复杂控制算法基础上的控 制原理得以快速在线计算及进行对系统的优化处理1 1 羽3 1 制。 本课题从实际应用出发，针对当前运动控制器存在的问题，利用当前最新 的研究成果，结合我国的当前国情和制造业发展的需要，研究开发具有自主产 上海大学硕士学位论文 权的，与国际先进技术接轨的运动控制系统，并将时下流行的嵌入式系统与运 动控制相结合以期将其运用到各个与运动控制相关的行业。 1 2 运动控制系统发展现状 随着计算机、电子、电力和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化 产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机 械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器入、智能机器人等许多门类 产品每年都有新的发展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改 善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方 面起着重要的作用。 在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制系统作为其关键组成部分， 也得到前所未有的发展，使得运动控制技术在工业、办公和家庭等自动化方面 得到广泛应用；控制形式也由以机械提供动力驱动的简单启停控制，发展到对 其位置、速度、加速度、力矩等的精确控制；由原先的电机拖动、电气传动发 展到运动控制的新阶段。 同时，传统的运动控制系统由于其本身的特性限制，己不能满足现代工业 和社会发展的要求。归纳起来，主要表现在以下几个方面： 1 封闭式结构。传统控制系统提供给用户的是特定环境下的、特定功能的 目标作业，内部控制算法和底层的接口对用户是一个“黑箱”。这种结构不便 于对控制系统的功能进行扩展和改进，同时也不便于对系统资源的共享和再利 用，因而造价高。 2 控制软件的兼容性差。软件的结构依赖于处理器的硬件体系结构，难以 在不同的系统上移植，同时也不便于软件的升级或更新。 3 容错性和可靠性差。由于采用多片单片机的并行结构，使得系统的通信 和同步困难，数据相关性复杂，因而使控制系统的容错性和可靠性变差。 针对传统运动控制系统的这些缺陷，研究和开发具有高性能运动控制系统 是当前运动控制领域的一个重要发展方向，越来越受到世界各国学者广泛关注。 自1 9 8 6 年以来，工业界一直致力于在制造业中推广开放式、积木式结构控制系 2 上海大学硕士学位论文 统。经过多年努力，这一系统模型己在计算机工业发展的推动下取得了巨大成 功。在开放式结构控制技术的指导下，计算机控制器完成了从造价昂贵的专业 化大中型机到开放式、积木式通用个人计算机的改革，这为发展开放式结构的 运动控制系统积累了经验，创造了良好的条件 5 们。 1 3 嵌入式系统概况 嵌入式技术的出现给现代工业数控领域带来了一次新的技术革命。嵌入式 技术的快速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分 支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为 通用计算机与嵌入式计算机系统之分。嵌入式计算机系统，或简称嵌入式系统， 是作为其它系统的组成部分而使用的。广义地说，一个嵌入式系统是一个具有 特定功能或用途的计算机软、硬件的集合体。因此嵌入式系统可分为硬件部分 与软件部分，而相应的嵌入式技术也可分为嵌入式硬件技术与嵌入式软件技术 两部分。嵌入式系统的最高形式一片上系统( s o c ) 将是这些技术的集大成者。而 狭义的嵌入式系统则仅指装入另一设备并控制该设备的专用计算机系统，包括 目标机与宿主机两部分。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适 应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合 后的产物，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不 断创新的知识集成系统。其主要特点为： 1 嵌入式系统面向用户、面向产品、面向应用，其处理器各方面均受到 应用要求的制约； 2 系统内核小、功耗低、实时性好； 3 具有多种通讯接口； 4 嵌入式系统的软件一般具有较长生命周期； 5 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。 由嵌入式系统最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。 3 上海大学硕士学位论文 目前，嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统。台通用计 算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式系统。键盘、鼠标、软驱，硬盘、 显示卡、显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 、 集线器等均是嵌入式处理器所构成的嵌入式系统来控制的。 1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算 机系统的全数字电视产品就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。由此 可以想象嵌入式系统的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加州圣何塞举彳亍的嵌 入式系统大会上基于r t o s 的e m b e d d c di n t e m e t 成为一个技术新热点。1 9 9 9 年， 根据国外研究机构的统计，嵌入式操作系统全球产值3 6 2 亿美元，并预计到2 0 0 1 年市场规模将达到3 1 7 亿美元。2 0 0 2 年嵌入式系统带来的工业年产值已超过 了1 0 ，0 0 0 亿美元。而现在，嵌入式系统技术已经成为最热门的技术之一，并 且已经统渗透于各个角落一取款机、p o s 机、微波炉、智能玩具、电子商务、 工控设备、通信设备、医疗器械、家电信息等等。嵌入式系统不仅在制造工业、 通信、仪器仪表、汽车船舶、消费类产品等方面上应用广泛，而且在上航空航 天、军事装备也得到了广泛应用，嵌入式系统无处不在【7 8 】【9 】【l o l 【l l 】。 1 4 论文的主要研究内容 本文着重从嵌入式运动控制系统的总体结构、硬件系统设计、软件系统设 计及运动控制芯片的控制方法四个方面进行探讨。本论文主要做了以下几个方 面的工作：首先对嵌入式运动控制系统进行需求分析，确定了a r m 处理器芯 片与运动控制芯片的选型及系统总体结构模型：其次，论文对嵌入式运动控制 系统的硬件部分进行了详细设计；再次，论文从操作系统的移植、任务、信号 量等方面介绍了t t c o s i i 嵌入式实时操作系统及嵌入式系统的软件结构；接着， 论文详细介绍了上位机软件界匦的开发以及s m 5 0 0 4 运动控制芯片的控制方 法：最后，论文介绍了系统的实现与调试过程。 各章节内容安排如下： 第一章：绪论。综述了运动控制系统的概念以及发展现状，并介绍嵌入式 系统的概况。 4 上海大学硕士学位论文 第二章：嵌入式运动控制系统总体结构设计。对了系统需求进行分析：根 据需求分析确定了a r m 处理器芯片与运动控制芯片的选型，并对它们进行了 简单介绍；提出了系统总体结构模型。 第三章：嵌入式运动控制系统硬件设计。详细介绍了硬件系统的结构设计、 原理图实现以及由原理图转换成p c b 图所要注意的电磁兼容要求，包括a r m 处理器与运动控制芯片的总线连接、输入输出、编码器等。 第四章：嵌入式运动控制系统底层软件设计。主要介绍了j t c o s i i 嵌入式 实时操作系统的移植、任务管理、信号量的使用，以及嵌入式数控系统的任务 及任务流程。 第五章：上位机软件的设计。主要介绍了多线程的概念及串口通讯的实现， 并介绍了所需设计的界面及相关函数的实现。 第六章：系统的实现与调试。介绍了整个系统的实现及调试过程。 第七章：结论与展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章运动控制系统总体分析 【本章摘要】本章主要介绍了嵌入式运动控制系统的总体结构设计。文章对嵌入式运 动控制系统进行了需求分析。并根据需求分析进行芯片选型，最后介绍了嵌入式运动控制 系统的总体结构设计。 2 1 系统需求分析 在设计一个系统时，首先要明白的就是系统所要实现的功能，即进行系统分 析，再根据需求决定所要使用的硬件和软件。 本文所要实现的嵌入式运动控制系统具有如下特点和功能： 1 由于嵌入式运动控制系统必须能够满足高速运动控制时的高速运算，因 此系统就必须使用具有功能强大的微处理器。同时，系统应能够供给用 户一个良好的人机交互界面。 2 系统以上位机界面为基础，实现简单的操作，并能够将操作指令翻译成 中间代码；能够支持串口通讯，使得嵌入式系统能够通过串口，与上位 机通讯，并接收上位机翻译好的中间代码。 3 系统必须具有性能优良的运动控制部分。运动控制部分必须要设计成 熟，运行稳定，功能强大；同时必须要反应迅速，具有高速控制能力及 良好的控制精度。 4 运动控制部分必须具有控$ 1 j 4 轴的能力，能够实现l 轴到4 轴的持续匀速、 变速运动、位置运动、回零运动等；能够实现2 轴到4 轴直线插补及2 轴 圆弧插补等功能。 5 运动控制部分能够实现对各种机械信号的处理：包括原点信号、左右限 位信号、停止信号等。对异常情况的处理：包括急停信号处理、警告信 号处理，或对多种运动结果及异常情况产生的中断处理，实现实时控制。 6 具有多个计数器，能够对每轴实现位置计数功能，实现对运动位置的精 6 上海大学硕士学位论文 确控制。 由需求分析可知嵌入式运动控制系统的关键部分就是运动控制部分。为了减 少研发任务，并得到优秀的运动控制性能，本课题选用了运动控制芯片s m 5 0 0 4 来专门负责运动控制。采用运动控制芯片具有以下好处： 1 缩短开发周期：使用运动控制芯片使我们不再需要研发运动控制部分， 能够大大缩短项目的研发时间和工作量。 2 提高系统可靠性：成熟的运动控制芯片中各项软硬件功能己经相当成 熟，比用户自己开发的更为可靠。同时采用此芯片后，控制器的硬件器 件大为减少，软件程序大为缩短，均有助提高可靠性。 3 降低软件研发成本：软件开发简单、快速，可以由更少的软件研发人员 花更少的时间完成复杂的运动控制编程。 4 提高控制性能：专业的高性能运动控制芯片的控制可使电机运动更快、 更平稳、更安静、更精确。 我们所希望的运动控制系统，是由上位机p c 及底层的嵌入式系统两部分 构成。上位机p c 用以实现界面显示、加工代码翻译，通过串口把翻译好的中 间代码传给低层独立型的嵌入式系统。而底层的嵌入式系统由嵌入式处理器及 运动控制部分所构成，主要实现根据上位机的中间代码，完成复杂运动控制的 功能。 因此，作为一个运动控制系统研究的开始，采用运动控制芯片来完成复杂的 运动控制，能够极大地减少我们的开发工作量，加快开发进度，并得到更优秀的 控制性能。同时，为了实现高速运动控制，我们需要高性能的微处理器来进行管 理调度工作。我们选用了目前应用十分广泛且功能强大的嵌入式微处理器。 2 2 嵌入式微处理器的介绍 嵌入式微处理器一般具有以下4 个特点： 1 、对时实多任务有很强的支持能力，能够完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和内核的执行时间减少到最低限度。 2 、具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 7 上海大学硕士学位论文 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存 储区保护功能，同时也有利于软件的诊断。 3 、可扩展的处理器结构，以能最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。 4 、嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算机 和通讯设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mw 甚 至w 级。 常用的微处理器有以下三种： 1 、单片机 这是一种用单片计算机及其外围芯片构成的计算机应用系统。与通用c p u 应用系统相比，系统测控功能强，可靠性高。目前由单片机构成的各种类型的 应用系统己开始深入到各个技术领域。在电子技术改造，高科技领域中扮演着 愈来愈重要的角色。 单片机系统应具有下列特点： ( 1 ) 受集成度限制，片内存储器容量较小，一般r o m 小于4 _ _ 8 k 字节，r a m 小于2 5 6 字节；但可在外部扩展，通常r o m 、r a m 可分别扩展至6 4 k 字节。 ( 2 ) 可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰 优于一般通用c p u ；程序指令及常数、表格固化在r o m 中不易破坏；许多信号 通道均在一个芯片内，故可靠性高。 ( 3 ) 易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件。芯片外部有许多供扩 展用的总线及并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系 统。 ( 4 ) 控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有及 丰富的条件分支转移指令、i o 口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单 片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 ( 5 ) 一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的 应用程序。但近年来开始出现了在片内固化有b a s i c 解释程序及f o r t h 操作系 统的单片机。 8 上海大学硕士学位论文 2 、d s p d s p 芯片，是英文数字信号处理器的缩写，是一种特殊的结构处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采 用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理 的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些特点： 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； 4 具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持； 5 快速的中断处理和硬件i o 支持； 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 可以并行执行多个操作； 8 。支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可作重叠执行。与通用的 处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱。 3 、a r m a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产 品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。典型的 产品如下。 1 a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这些公司授权用户最多的一项产品，将a 麟7 指令集 t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式 工c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的 典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 2 a r m 9 ：采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理以及分离的c a c h e 结构， 平时功耗为0 7 m m m h z 。时钟速度为1 2 0 m h z ，每条指令平均执行l - 5 个时钟周 期。与a r m 7 系列相似，其中的a r m 9 2 0 ，a r m 9 4 0 和a r m 9 e 含c a c h e 的c p u 核。性 能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 v 供电电压) 或2 2 0 1 d i p s ( 2 0 0 m h z 时钟) 。 3 s t r o n g a r m ：采用a r m v 4 t 的五级流水结构，性能很高、同时满足常规应用需 要的一种微处理器技术，与d e c 联合研制，后来授权给i n t e l 。s a l l 0 处理器、 9 上海大学硕上学位论文 s a l l 0 0 p d a 系统芯片和s a l 5 0 0 多媒体处理器芯片均采用了这一技术。在a r m 内核中 有四个功能模块可供生产厂商根据用户的不同要求来配置生产。这四个模块分别 用t ，d ，m 和工来表示。 当今，市场上每天销售约3 0 亿颗嵌入式c p u 。其中绝大部分是8 位和1 6 位的c p u 。单片机( 微控制器) 曾是构成嵌入式硬件平台的主要器件之一。但嵌 入式硬件技术的发展已使其不仅限于以往的单片机、单板机或p l c ( 可编程逻辑 控制) 的范畴，面是广泛使用了各种新型器件。目前嵌入式系统中的处理器分为 微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 等几大类，应用最广 泛的还是各种档次的8 1 6 3 2 位微控制器。而在3 2 位嵌入式处理器市场中，a r m 处理器占有7 5 的份额。采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通 常所说的a r m 微处理器，正在逐步渗入到我们生活的各个方面： 1 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端 微控制器应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统 的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 2 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本的优势，在该领域的地位日益巩固。 3 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐 步获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得 广泛支持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机项 盒和游戏机中得到广泛采用。 5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术1 2 1 1 1 3 】。 2 3a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 本论文中，a r m 处理器选用了三星公司的s 3 c 4 4 8 0 x 处理芯片。s 3 c a 4 b o x 是款基于a r m 7 内核的3 2 位r i s c 架构的处理器，最适合用于对价位和功耗 1 0 上海大学硕士学位论文 要求较高的消费类应用。它具有如下特点【1 4 1 ： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) x x 指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件；指令长度固定；并且与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系 列兼容，便于用户的产品升级换代； 3 大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度 更快，并能够提供高达0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构； 4 寻址方式灵活简单，执行效率高： 5 具有嵌入式i c e _ 一r t 逻辑，调试开发方便； 6 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 。l i n u x ，p a l mo s 等； 7 主频最高可达1 3 0 m ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 除a r m 微处理器核以外，s 3 c 4 4 b o x 还扩展了许多相关功能模块，并集 成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如i i s 接口、l c d 控制器、r t c 和 a d c 等。这样既可简化系统的设计，同时又可提高系统的可靠性【1 5 】。 2 4 运动控制芯片 目前所通用的运动控制芯片主要有：s m 5 0 0 4 ，p c l 6 0 4 5 ，m c x 3 1 4 系列等。 其中s m 5 0 0 4 是深圳斯迈迪( s m a r t e e r ) 科技发展有限公司于2 0 0 4 年推出的四轴 运动控制专用d s p 芯片。以m c x 3 1 4 a s 技术指标为基础，同时吸取了其它系 列芯片的优点研发而出的。在功能和性能上可以全面替代n o v a 的m c x 3 x x ，a ( 比如m c x 3 1 2 3 1 4 3 1 4 a s ) 、n p m 的p c l 6 0 4 5 6 0 2 5 等同类芯片。适用于伺服 驱动的位置、速度及插补控制。脉冲输出频率误差为0 1 最大脉冲输出频率 为5m h z 可以进行直线或s 曲线加速和减速，2 4 轴直线插补，输出脉冲范围 为3 2 位。s m5 0 0 4 提供了8 位和1 6 位数据总线接口，通过对s m5 0 0 4 内部寄 存器( 命令、数据、状态、模式寄存器) 的读写实现对芯片的控制功能。各轴的 3 2 位逻辑位置计数器可以实现位置的闭环控制。它还具有以下性能特点【1 6 】： 上海大学硕士学位论文 1 硬件可编程特点( s o p c ) ：s m 5 0 0 4 为s o p c ( 系统在可编程器件上) 器件方案，它较同类专用芯片具有更好的灵活性，同时又比 “d s p + f p g a ”相互组合的方案可靠性高、集成度高。配套芯片 s m c s 0 4 拥有双重功能，部分独立配套电路，实现可编程和加密特性。 2 比较寄存器和软件限制功能：每轴都有2 个3 2 位比较寄存器，用于与 逻辑位置计数器或者实际位置计数器进行位置大小比较。驱动时，可 以从状态寄存器读出比较寄存器和逻辑实际位置计数器之间的大小关 系。大小关系变化时可产生中断，并且可以使用这2 个比较寄存器作 为正负方向软限位的启动条件。 3 。具有对多种信号的处理功能，包括2 相编码器信号、在位信号、报警 信号、限位信号等。 4 能够实现中断处理功能。芯片在加减速驱动的定速开始时、定速完毕 时，驱动完毕时、位置计数器和比较器之间的大小关系有变化时等情 况下产生的中断进行处理。 采用这款芯片后，原来很复杂的运动控制问题就可以变得相当简单。所有 复杂的实时运动控制工作都可由s m 5 0 0 4 芯片处理，而控制处理器只需向 s m 5 0 0 4 芯片发出简单指令，即可实现各种复杂运动。同时，s m 5 0 0 4 的技术 特点使得它比以单片机核心的运动控制方案的性能要远远超出；比以高性能专 用芯片( a s i c ) 作为核心的运动控制方案要方便灵活，并具有方案的硬件可 重塑性：比以d s p 作为核心处理器的运动控制方案性能更稳定，又更方便于 客户的应用开发，并且成本更低。 2 5 运动控制系统总体模型结构 本论文研究的嵌入式运动控制系统，由硬件层、操作系统层以及软件层三 个层构成。图2 1 表示了基于这种思想开发的嵌入式运动控制系统的总体结构。 上海大学硕士学位论文 图2 1运动控制系统的总体结构图 由图2 1 可知，嵌入式运动控制系统的硬件层由a r m 处理器硬件构架及运 动控制芯片构成。作为一个系统研究的第一步，a r m 处理器部分我们选用了炜 煌公司的s 3 c a 4 b o x 处理器开发板。在这块开发板上，集成了a r m 处理器 s 3 c 4 4 b o x ，内存、f l a s h 存储器等a r m 系统所必须的器件。开发板还集成了网 络和串口、上电及手动复位等功能，大大降低了在硬件开发上的工作量。a r m 开发板及我们所扩展开发的外部电路，构成了a r m 处理器硬件构架。 嵌入式系统的操作系统层，我们采用了源代码公开的嵌入式实时操作系统 c o s i i 。c o s i i 是一款功能可根据需要裁减，采用占先式实时内核的多 任务操作系统。采用c o s i i 使得嵌入式运动控制系统的控制软件变得简单起 来，并且使系统具有多任务处理能力及良好的实时性。操作系统层包括了内存 管理、任务管理、设备管理、运动控制芯片接口、通讯接口等。 软件层主要是系统匹配软件以及上位机的人机交互界面，包括了我们所编 写的各种控制函数，如运动控制芯片的控制所需的函数等。 1 3 上海大学硕士学位论文 2 6本章小结 本章主要介绍了以下几个方面的内容：嵌入式运动控制系统需求分析；根 据需求分析所选的a r m 处理器概况及其特点；运动控制芯片概况其特点；最 后文章介绍了嵌入式数控系统的总体结构模型，并给出了总体结构模型图。 1 4 上海大学硕士学位论文 第三章运动控制系统的硬件设计实现 【本章摘要】本章主要介绍了嵌入式运动控制系统硬件部分的设计与实现。文章详细 地阐述了硬件部分的总体结构设计及箨部分电路设计，并给出了相应的电路原理图以及由 原理图转换成p c b 图所要注意的电磁兼容要求。 3 1 嵌入式运动控制系统的总体结构设计 系统硬件采用主从双c p u 结构模式来实现对电机的控制；其中主c p u 为 a r m 处理器，主要处理键盘、显示、串口通讯等工作，从c p u 为s m 5 0 0 4 运 动控制芯片，该芯片用来负责运动控制方面的处理工作。运动处理芯片通过总 线来与a r m 进行通讯，实现指令的接收以及数据的交换等工作。控制系统硬 件结构如图3 1 所示。 图3 1 硬件结构图 上海大学硕士学位论文 3 。2 嵌入式运动控制系统的硬件设计 3 2 1s m 5 0 0 4 与a r m 的连接 s m 5 0 0 4 是在f p g a 上采用d s p 算法实现的运动控制芯片它具有灵活的开 放性，可编程性，同时也具有硬件处理的稳定性。f p g a 需要配置和加密才能 形成一个真正完整的方案。s m c 5 0 4 就是一个对s m 5 0 0 4 进行配置和加密的配 置芯片s m c 5 0 4 与s m 5 0 0 4 的连接见图3 2 上电后，s m c 5 0 4 自动完成对s m 5 0 0 4 的配置和加密【1 6 1 。 c o r nd a t o 3 c o mc l k c o mc o n 呻 时 o c o mf i n o o l l u ， u 烹墨 c o ms t a 。 e - - r e s e t l ”。 m o d e3 t o me n 图3 2 s m 5 0 0 4 与s m c 5 0 4 的连接 s m 5 0 0 4 可以与多种不同的c p u 相连包括m c s 5 1 系列、z 8 0c p u 、a r m 处理器等。本文中的a r m 处理器选用三星公司的4 4 b o x 处理芯片，s 3 c 4 4 8 0 x 是一款基于a r m 7 内核的3 2 位r i s c 架构的处理器，体积小、低功耗、低成本、 性能高，支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。s 3 c 4 4 b o x 芯片的电平特性为：核心电压2 5 v ，i ，o 电平3 o _ - 3 6 v ； 而s m 5 0 0 4 的输入管脚电压为3 ，3 v ，支持的阳电平剐好和a r m 芯片匹配， 1 6 上海大学硬士学位论文 故而两者的数据通信和控制信号可以直接相连。e x i n t 接收s m 5 0 0 4 的i n t n 产生的中断信号，对s m 5 0 0 4 的位置、状态、错误信息进行处理。s m 5 0 0 4 的 c l k 引脚接收1 6 m h z 的方波输入，r e s e t 引脚与系统复位电路连接在起。 通过上述连接。a r m 7 就可以对s m 5 0 0 4 的寄存器进行读写操作。图3 3 是 s m 5 0 0 4 和a r m 7 的连接图1 1 6 1 。 s 3 c 哇4 8 0 xs i 搭0 0 4 r l 封鬣啦卜 i _ j + 3 v ： 33 3 j 来自系统复位电路。_ 3 2 2 电源电路 图3 3a r m 与s m 5 0 0 4 连接图 s m 5 0 0 4 芯片的内核和i o 口使用不同的电源电压，电源电路如图3 4 所示， 从外部接入5 v 的直流电源，经过2 个电容的滤波，然后通过l m l l l 7 ，1 5 和 l m i l l 7 3 3 分别将电源稳压至1 5 v 和3 3 v 。l m l l l 7 系列芯片，特点是输出电 流大，输出电压精度高，稳定性高。具有电流限制和热保护功能，在手持仪表、 数字家电、和工业控制等领域广泛应用。在使用时，输出端接了2 个电容用来 改善瞬态响应和稳定性。 1 7 上海大学硕士学位论文 3 2 3 时钟电路 图3 4系统电源电路 由于s m 5 0 0 4 的时钟频率由外部决定，本系统采用了默认的1 6 m i - i z 作为时钟信 号。图3 5 为s m 5 0 0 4 的时钟电路图。 耘恒1 2 lc譬lei n“ 3 咯f 匕1 l 10 郧 c 1 1 d m h 蔷。l l w” i ll上6 3朝 ；二厂l y 3“ y 4 c i 3 2 4 脉冲差动输出电路 = 7 4 h c l 图3 5系统时钟电路 s m 5 0 0 4 发出控制电机的输出脉冲，该输出脉冲有两种形式，一个时正、负脉冲 形式，另一个是脉冲、方向形式。两种形式都需要通过长线驱动i c ( a m 2 6 l s 3 1 ) 输出。电路如图3 6 所示，以x 轴为例，其中的) a d r + 是) r 一的差动输出， x p u + 是，u 一的差动输出。系统复位后x d r 一和u 一为低电平，其反逻 1 8 上海大学硕士学位论文 辑) a ) r + 和，u + 为高电平。脉冲输出的形式缺省设