（模式识别与智能系统专业论文）基于嵌入式系统的步进电机控制方法的分析与研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具有易于开 环控制、无积累误差等优点，在众多领域获得了广泛的应用。但现实中步进电机的控制比 较复杂。随着嵌入式技术以及微电子技术在控制领域的发展，我们可以设计规模更小，成 本更低，功能更特定的嵌入式控制系统来实现对步进电机的控制。 本文以步进电机控制为背景，介绍了步进电机控制技术的发展状况。通过对系统方案 的论证和硬件的选型后，最后选择采用a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 和f p g a 为硬件平台，采用 q u a r t u si i 为软件仿真平台。在硬件设计方面主要完成了基于s 3 c 4 4 b o x 处理器的外围接口 电路的设计，并详细阐述了s 3 c 4 4 b o x 和键盘、l c d 、u s b 、串口等电路的设计。在软件 设计方面主要完成了对f p g a 中各功能模块的v h d l 代码的编写，同时也进行了时序波形的 模拟仿真。 采用a r m 与f p g a 的嵌入式控制系统无需外接d a 转换器，可以大大简化系统的外围 硬件电路结构和软件编程，提高了系统的抗干扰性能，缩短了步进电机控制器的设计周期。 结构简单，控制精度高，具有广泛的应用前景。 关键词：嵌入式系统；a r m ；步进电机；f p g a 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e p m o t o ri sak i n do fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o m p o n e n tt h a ti sd r i v e ni ns t 印a n g l eo r1 i n e d i s p l a c e m e n tb ye l e c t r i cp u l s es i g n a l b e c a u s eo fh a v i n gt h ea d v a n t a g eo fe a s yo p e n l o o pc o n t r o l a n dn oa c c u m u l a t i n ge r r o r , s t e p m o t o ri sb e i n g a p p l i e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s b u tt h ec o n t r o lo f s t e p - m o t o ri sc o m p a r a t i v e l yc o m p l i c a t e di nr e a l i t y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi nc o n t r o l l e df i e l d ，w ec a nd e s i g na n e m b e d d e ds y s t e mo fw h i c ht h es c a l ei ss l i g h t l y , t h ec o s ti s l o w e r , a n dt h ef u n c t i o ni sm o r e s p e c i f i ct oc o m p l e t et h ew o r ko fs t e p m o t o r sc o n t r 0 1 t h i st h e s i sb a s e do nt h ec o n t r o l l i n go fs t e p - m o t o r , h a v i n gi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n t s t a t u so fs t e p 。m o t o rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ed i s c u s s i n ga n dp r o v i n go ft h ep l a n o fm i ss y s t e ma n dt h es e l e c t i n go fh a r d w a r e ，w h i c hu s e se m b e d d e dc p us 3 c 4 4 b o xa n df p g a a st h ek e r n e lo fh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dq u a r t u si ia st h es o f t w a r es i m u l a t o rp l a t f o n n i i l h a r d w a r e ，t h ed e s i g no fp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i ti si m p l e m e n t e db a s e do nc p us 3 c 4 4 b o x , a n dd e t a i l e dd e s i g np r o c e s s e so fk e y b o a r di n t e r f a c ec i r c u i t ，l c d ，u s ba n ds e r i a le x t e n dc i r c u i t a l ep r o v i d e d i ns o f t w a r e ，d lc o d e sa b o u ta l lt h ef u n c t i o nm o d u l eo ff p g ah a v em o s t l y a c c o m p l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t i o no f t i m es e q u e n c ew a v ea l s oh a sb e e nd o n e a d o p t i n gt h ee m b e d d e dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fa r ma n df p g a ，w h i c hd o e s n tn e e dl i n k i n g a ne x t e r i o rd ac o n v e r t e r , a n dw i l ls i m p l i f yt h ec o m p l e x i t yo fp e r i p h e r a lh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ep r o g r a m m i n go ft h es y s t e m ，i m p r o v ei t s a b i l i t yt or e s i s te m ia n dw i l ls h o r t e nt h e d e s i g np e r i o d so fs t 印- m o t o rc o n t r o l l e r i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r es u c c i n c t n e s s h i g h p r e c i s i o nc e n t r e la n dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；s t e p - m o t o r ；f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：堕施日期：叫! 矽：乏 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：隘亟 指导教师签名：边堑望12 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 步进电机控制技术的发展 步进电机是工业过程控制及仪表中主要执行元件之一，属于实用的典型的机电一体化 组件，它是一种将电脉冲信号转化为角位移或直线位移的执行机构。又可称脉冲电机或阶 跃电机，国外常称为s t e pm o t o r 、s t 印p i n gm o t o r 、s t 印p e rm o t o r 等。步进电机问世以后， 很快确定了自己的应用领域，应用发展己有很长的历史。 在国内，步进电机的控制技术是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后才开始 有较大进展至今已有较好的基础和一定的规模。八十年代末开始在我国发展的经济型机床 控制系统，它是一种用单片计算机和步进电机开环系统构成的简易型控制装置，使得控制 部件的稳定性、可靠性大为提高，成本下降，然而步进电机及其驱动器仍基本上停留在较 低的水平，成为这种系统发展的主要障碍。一方面在我国步进电机的驱动器多采用传统线 路结构，性能落后；另一方面还表现在缺乏驱动器专业生产。目前我国许多厂家己研制生 产出步进电机的驱动器，其技术设计基本上是引进国外的专用芯片，且其性能还存在许多 不足( 如节能、稳定性等) 。总体上来说，国内研究取得了很大的进步，但无论从控制器还 是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距；如通用性不是太好，而且可控轴数 较少，控制精度和可靠性不太高。 国外步进电机控制技术的发展十分迅速，早在7 0 年代步进电机与它的控制技术的发展 进入全盛时期，步进电机及其相应的驱动器相续问世，如日本的e p m 系列、美国的m 系列、 德国的i b s i b c 系列等。功放驱动元件除了用晶体管外，也可用晶闸管，电源线路结构除 了采用单一电压等级的驱动器外，还有采用两种不同电压等级的驱动器；随着步进电机的 应用和发展，其驱动器也在不断发展、完善和提高，驱动电路集成化己成为一种趋势。以 美国为例，它生产的步进电机驱动器体积仅两个香烟盒大小，而功能上可驱动较大的步进 电机，工作发热低，电机工作平稳。而驱动技术方面现在应用较多的有斩波驱动、升频升 压驱动等。 随着工业电气化、自动控制和家电产品领域对电机控制产品的增加，对电机控制技术 的要求不断提高。传统的8 位单片机由于内部系统体系结构和计算功能等条件限制，在实 现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。使用高性能的数字信号处理 器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计算量和速度是目前最为普遍的做法。将一系列外 围设备如模数转换器、脉冲调制器和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统 【l 】 o 随着e d a 技术的发展，用现场可编程门阵歹u f p g a 的数字电子系统对电机进行控制， 为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法【2 1 。现场可编程门阵歹u ( f p g a ) 器件集成度 高、体积小、速度快，用硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产 品，从而降低了功耗，提高了可靠性。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 嵌入式系统的特点及其在工业控制应用上的优势 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，即系统的应用软件 与系统的硬件一体化，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。嵌入式系统一 般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器 件和i o 端口、图形控制器等【3 1 。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和 行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式计算机系统具有以下特点【4 】： 1 ) 嵌人式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考虑， 要求系统起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠 性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安全漏洞和 不可靠的隐患。 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用 相结合后的产物。这一点就决定了它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。 3 ) 嵌入式系统提高了产品开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下， 开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任 务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了良好的 多任务调试环境。 4 1 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中， 而不是存储于磁盘等载体中。 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中 的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。嵌入式系统在工业控 制上应用起源于2 0 世纪8 0 年代单片机的使用。单片机技术己经渗透到各个领域，且与人们 的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。单片机的功能强大，从信号 采集、处理到传输都能由单片机来完成。但是，随着网络时代的来f 临，许多电子设备需要 联网和更智能化、更强的计算能力，比如音频、视频的数据采集、处理和传输，丰富的图 形界面等。 但是单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。随 着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，3 2 位的嵌入式微处 理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。 工业控制操作系统需要严格的实时处理功能，高可靠性，良好的开放性，对人机界面、 开发环境、可操作性、成本等也有特别的要求。而嵌入式系统顺应了这一要求，在工业控 制中体现了以下的优势。 ( 1 ) 实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件作出反应的能 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 力。实时性的强弱以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量。嵌入式3 2 位的微处理器 通常是几十、几百m ，甚至是上g 的处理速度，对比单片机几m 、十几m 的速度不可同同而 语。 除了提高硬件的处理能力可以在一定程度上提高控制系统的实时性，当硬件确定以 后，控制系统的实时性能还由操作系统来决定。无论从汽车制造到工业自动化，还是从电 子通信到交通运输，大多数嵌入式操作系统均可为具备确定性响应能力的应用程序提供内 建实时支持。 ( 2 ) 可靠性 工业控制系统对可靠性要求很高，计算机控制系统发生故障或死机对于企业安全高效 生产带来不利的影响。可靠性主要包含两个方面的含义：一是控制计算机本身要连续稳定 运行，二是系统检查出故障后要有保持安全状态的能力。在硬件方面，由于嵌入式处理器 本身集成了常用的接口控制模块，如l c d ，u s b 接口的控制模块，所以较单片机在外部扩 展接口芯片，大大增强了抗干扰的能力。除了软硬件抗干扰技术、热冗余技术可以在一定 程度上提高工业控制系统的可靠性，操作系统的可靠性也进一步保证了工业控制系统的正 常运行。 ( 3 ) 人机界面 不同对象对工业控制系统的人机界面h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 要求差别很大( 5 。 在传统的单片机操作系统中，图形功能弱，大都依靠l e d 和数码管进行显示，没有更强的 图形界面功能。嵌入式操作系统不仅支持图形和窗口，具有多媒体功能，而且还可以利用 丰富灵活的控件库。例如在w i n d o w sc e 环境下可以为嵌入式应用建立各种图形用户界面。 因此，嵌入式操作系统完全可以满足工业控制系统对人机界面的要求。 ( 4 ) 开放性 随着i n t e r a c t 的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求 也越来越高。当前的要求是希望工业控制设备能够支持t c p i p 以及其它i n t e r n e t 协议，从而 能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过 网络传送至l j w i n d o w s 或u n i 刈l i n u x 服务器上的数据库中。如今，业界已经达成共识；在中 高端工业控制领域中，嵌入式操作系统取代单片机系统，网络协议取代串口通讯是大势所 趋。 ( 5 ) 开发成本和开发环境 工业控制设备的生产批量小，开发环境所占比重大，所以易用、廉价的开发环境对控 制设备生产商十分关键。现在，3 2 位嵌入式c p u 价格的下降和性能指标的提高，为嵌入式 系统的广泛应用提供了可能。但是一个3 2 位嵌入式c p u 的资源也是有限的，在完成人机交 互、中断响应的同时还要进行大量数据处理的话，将会造成c p u 繁忙：实时性能降低，系 统不稳定等一系列问题。如果我们将某些数据处理量大且功能特定的工作放到外围器件中 来完成，将简单有效解决上述问题。所以在实际设计中外围的电路的设计也是我们重点考 虑的问题，外围器件选择的好坏将很大程度上减轻主控c p u 的压力，提高整个系统的性能 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 和可靠性。然而在工业控制中，由于其功能特定且生产批量小，很难在市场上找到满足我 们需求的外围器件。随着c p l d 和f p g a 的出现，使得上述问题得到了很好的解决，我们可 以通过v h d l 或v e r i l o g 等硬件描述语言对f p g a 进行灵活的硬件编程，设计出满足我们所需 要的功能和时序的外围定制器件。通过嵌入式c p u 和f p g a 的完美配合，能够各取所长， 大幅度提高系统的整体性能和降低系统开发成本和风险。 1 3 该课题的研究内容 本课题是要研制一套完整的嵌入式系统，利用嵌入式系统来实现步进电机走线的控 制。要求通过本课题的研究能够对步进电机的工作原理、运行特性及其驱动技术、控制策 略有更深层次的理解和认识，掌握基于嵌入式系统的驱动控制的硬件、软件综合设计技术。 在电机控制系统中常用的主控制器有8 位单片机、d s p 、a r m 系列的单片机。8 位单片 机做主控制器在早期的电机控制系统中比较常见，它具有价格低廉、容易实现等优点，但 由于8 位单片机的功能少、速度低、片内资源也不丰富等缺点现在基本已经被淘汰。 基于先进的3 2 位d s p 处理器开发而成的电机控制系统是目前国内电机电控系统中比较 常见的一种结构。它具有系统集成度高，稳定性好，运行速度快，功能比较强大等优点。 这种结构是目前国内先进的控制结构。d s p 处理器是根据数字信号处理算法的特性而专门 设计的运算芯片，其执行数字信号处理算法时，编译效率较高，执行效率也较高。在数字 滤波、f f t 及频谱分析方面得到了大量的应用。 基于工控板结构的优点是由于硬件电路已基本设计好，所以大大降低了开发时间，且 可靠性容易保证，但是也因此降低了设计的灵活性，产品的成本也较高。这种结构适合运 用在要求开发周期短，数量少的场合。 另外一种目前比较流行的结构是以基于a r m 内核的微处理器为核心，配以外围接口电 路，控制过程主要是以软件控制为主。这种结构的优势就是它利用了a r m 芯片强大的功 能和丰富的外部接口资源。a r m 处理器是精简指令集计算机，其设计实现了外型非常小 但性能很高的结构。它简单的结构使得其内核非常小，功耗非常低。它集成了非常典型的 r i s c 结构特性： ( 1 ) 一个大而统一的寄存器文件； ( 2 ) 装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作； ( 3 ) 简单的寻址模式，所有装载保存的地址只由寄存器内容和指令域决定； ( 4 ) 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码； ( 5 ) 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器控制，以实现对a l u 和移位器的最 大利用； ( 6 ) 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； ( 7 ) 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量； ( 8 ) 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行效率。 最后选定嵌入式系统由a r m 作为主控制器，要求能从u s b 接口读入包含步进电机的相 对位移坐标信息的路径文件，经过译码和数控系统相关运算( 如加减速控制、数字积分插补、 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 拐点判断) 【6 】，最后通过f p g a 实现对步进电机的层次化控制。另外，还需相应的输入、输 出接口模块，如按键输入和l c d 显示。 基于以上的要求我们采用的是a r m 与f p g a 一起实现的方案，其中a r m 采用三星公司 的s 3 c 4 4 b o x t 7 1 ，f p g a 采用a l t e r a 公司的e p l c 6 引，u s b 接口芯片采用u s b n 9 6 0 3 t 9 1 ， $ 3 c 4 4 0 x 的最高工作频率为6 6 m h z ，与s d r a m 可以直接接口，对于u 盘的文件管理也比较 方便。由s 3 c 4 4 0 x 来完成读取数据，数据处理和响应键盘，液晶显示等人机交互工作，利 用f p g a 来设计一个发送脉冲控制步进电机工作的定制电路，该系统可以做到精确的速度 控制以及连续走线运动。而且$ 3 c 4 4 0 x 在该项目中，对于系统设备的管理可以得到充分的 运用，对于所要求的处理能力又可以作为f p g a 的有力补充。虽然s 3 c 4 4 b o x 是一款较低端 的a r m 7 系列的处理器，但用于工业控制已足以胜任其工作，而且该芯片是一款删7 系 列中经典也较常用的片子，性价比较高。在f p g a 方面选用e p l c 6 也有很大因素是出于性价 比来考虑的，根据以往的经验e p l c 6 在同档次f p g a 中价格较低，虽然它只是一款低档的 f p g a ，但它以其良好的性能和低廉的价格成为电路设计者的首选。 1 4 论文的意义以及本人所做的工作 目前，嵌入式系统作为一个新兴的技术，正在以极高的速度应用到各个领域中。世界 上现在有很多公司利用a r m 技术开发了功能各有侧重的嵌入式芯片【9 1 ，并将其应用到相应 的产品中，然而在国内工业控制上的实际应用还处在起步阶段。此次将嵌入式系统应用在 步进电机控制上，也是希望步进电机能够更多的应用于工业控制领域上。 本人在该课题中主要对以下方面进行了研究： 1 参与系统总体方案的设计和论证，器件的选型； 2 参与原理图的最初设计； 3 负责完成步进电机连动控制算法及加减速控制算法的研究并提出如何在本系统中最 终实现的有效方案； 4 负责完成f p g a 中分层模块功能电路的设计和v h d l 代码的编写。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 系统总体结构 第二章系统总体结构和外围接口电路设计 在嵌入式系统的设计中，嵌入式处理器是控制系统的核心部件，其性能的好坏直接决 定了整个系统的运行效果。硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、i o 设备、通 信模块、协处理器等必要的外设。 本课题所设计的嵌入式系统的微处理器采用s a m s u n g ( = 星) 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处 理器s 3 c 4 4 b o x ，是一款基于仪表、控制器、车载应用系统和手持应用系统的高性价比的 微处理器。有丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部l c d 控制器，带自动握手的2 通道 u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器，带有p w m 功能的5 通道定时器，i o 端口，r t c ，8 通道 l o 位a d c ，p l l 倍频器等。它具有低电压、低功耗、高性能和低集成度等特点，并且具有 开放性和可扩性，已经成为嵌入式系统首选的处理器架构，其外观封装图如图2 1 所示。主 要特性如下： 囊然凛b 麟惑慧攫冀 卅州十 f f - “l t - - i t t t t t f f t 制柑附槲朴一一。 图2 1s 3 c 4 4 b o x 的封装图n 0 1 一 黜器黜嬲 llil瓣；ll黼巍激然戮麟戮lll一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一隅一一一一一 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 s 3 c 4 4 b o x 的特性描述如下： 体系结构 7 1 个可定义的多用i o v i ； 支持大、小端模式。内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端模式； 内含效率高、功能强的a i w 7 t d m i ； 高性价比、基于j t a g 接口的调试方案。 系统管理器 支持r o m s r a m ，f l a s h ，d r a m 和外部i o 以8 1 6 3 2 位的操作方式； 带总线请求应答引脚的外部总线控制器： 支持e d o 常规s d r a m 存储器； 高性价比的从存储器到外围的d m a 接口【1 1 1 。 一体化的指令数据c a c h e 一体化的8 kc a c h e ； 可支持a r m 和t h u m b 指令模式； c a c h e 可配置为内部s r a m 。 l c d 控制器 可定义的彩色黑白灰度液晶控制器； 可定义的扫描和显示频率； 系统存储地址映射为显示存储； 灰度级别：1 6 级； 颜色：2 5 6 色控制。 u a r t 2 个可工作于d m a 方式或中断方式的u a r t 模块； 支持5 ，6 ，7 ，8 位的串行数据发送和接收； 波特率可编程； l 位或2 位停止位； 奇偶校验。 中断控制器 3 0 个中断源：8 5 - 外部中断、6 4 1 定时器中断、6 4 1 u a r t 中断、4 4 1 d m a 中断、1 4 看 门狗定时器中断、2 4 r t c 中断、1 4 a d c 中断、1 4 i i c 中断、1 4 s i o 中断； 支持正常中断( m q ) 或快速中断模式( f i q ) ； 电平边沿模式具有可编程的优先级。 定时器和p w m ( 脉宽调制) 5 通道1 6 位具有p w m 功能的定时器，1 通道1 6 位内部定时器； 可编程的占空比周期，频率和优先级； 死区( d e a d z o n e ) 产生器； 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 支持外部时钟源。 p l l 外部时钟可由片i 为p l l 倍频以提高系统时钟； 输入频率范围：1 0 4 0 m h z ； 输出频率可以是输入时钟的1 0 倍。 封装形式 16 0 l q f p 16 0 f b g a 封装。 本系统硬件总体结构框图如下图2 2 所示： 图2 2a 跚与f p g a 的嵌入式系统总体结构框图 系统用到的片上资源主要有：l c d 控制器、u a r t 、g p i o 等。系统方案是将a r m 处理 器作为主处理器使用，其它芯片均由a r m 所控制，将u s b 控制芯片( u s b n 9 6 0 3 ) 、液晶接 口、f l a s h 芯片、s d r a m 芯片以及f p g a ( e p l c 6 ) 的数据总线、地址总线、控制总线( 片选 和读写信号) 、以及中断信号均有a r m 处理器统一分配，同时a r m 和f p g a 之间还连有8 条 其它功能的控制线。 键盘与a r m 处理器连接采用专用的键盘接口芯片z l g 7 2 9 0 。该芯片采用i i c 串行接口， 提供键盘中断信号，方便与处理器接口。采用专用的键盘芯片可以采用中断的方式实现对 键码的读取，免去对键盘的循环扫描，节约了c p u 的运算资源，同时节省了很多任务切换 和内部信号量处理时间。由于s 3 c 4 4 b o x 具有i i c 接口【1 2 】，所以可以实现键盘芯片与c p u 的 直接连接。当有键按下时，通过中断方式请求c p u 读按键的值。c p u 对按键进行处理校验 后通过a r m 的p d 口将编码值读入a r m 处理器。 u s b 的主控制器u s b n 9 6 0 3 挂到删处理器的数据总线上【1 3 】，作为外部存储器访问， 也是我们实际数据文件的数据入口。 液晶的数据总线、地址总线均挂到删处理器的数据、地址总线上，其控制信号可以 使用g p i o 口，片选信号和读写信号可以占用a r m 的片选及读、写。r s 2 3 2 接口使用 m a x 3 2 3 2 ，占用a r m 的u a r t 0 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 对于a r m 处理器，需要f l a s h 来存放程序和b o o t l o a d e r ，s d r a m 存放运行中程 序代码和数据，将f l a s h 和s d r a m 挂到数据总线上，f l a s h 地址和s d r a m 的地址由a r m 处理器统一编码【1 4 】，s d r a m 有几根控制线与a r m 专用的引脚相接。 将a r m 处理器的数据线、地址线、片选读写信号线及8 个g p i o 和1 个外部中断均挂到 e p l c 6 上，e p l c 6 使用4 个u o e 通过外部反向器提高驱动能力和实现电压匹配后，再通过 光耦连接到外部步进电机专用驱动器上【1 5 】。运算处理后的控制信号由e p l c 6 上这4 个f o d 输出，分别控制x 、y 方向上的步进电机的进给脉冲和旋转方向。 从系统的总体结构可见，a r m 是整个系统的大脑和控制中心，而利用f p g a 所设计的 定制功能器件则是本系统的运动神经和执行机构。如果本系统离开了f p g a ，在本质上性 能不会比传统的单片机构成的步进电机控制系统优异多少，在算法上无法有较多的改进， 总体数据处理能力也将大大受限。由于f p g a 担负了大量的数据处理工作，才使a r m 从繁 重的数据处理中解脱处理，完成其擅长的总体调度，数据读写，人机互动等工作，使其充 分发挥作为一个嵌入式系统处理芯片的长处。然而作为一个数控步进电机控制系统，除了 有精美的界面显示、操作简便且人性化和方便快捷的数据读取外，客户更关心的是电机的 优化控制、电机走线运动过程的平稳和高效率、以及实现的产品的精细程度等。然而数控 算法的实现和对步进电机的控制的大部分工作都是在f p g a 中进行的，所以对f p g a 的设计 以及a r m 和f p g a 的接口设计将是整个系统功能能否实现的关键。 2 2 外围器件及电路设计 外围器件及电路主要包括：复位电路、电源电路、n o r f i s h 、s d r a m 、l c d 、u 剐 盯、 u s b 电路等。 2 2 1 电源电路 本系统采用集成线性稳压电源对c p u 和外围电路供电。c p u 内核工作需要供给的2 5 v 电源采用s p x l1 1 7 3 3 产生。c p u 的u o 和外设工作所需要的3 3 v 电源采用s p x l1 1 7 3 3 产 生，电源电路如图2 3 所示。 u f s i - in 3 3 1 rv u i 且 () ( k j 13 避i 一 、 l 当c l亡= 孽 2 c = = c 2 3 l1 役 1 0 0 u f1 0 0 n f 4 _ j - - - y ) w e r 图 电源电路 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 2 系统复位电路 为了提供性能优越的电源监视性能，我们选取了专门的系统监视复位芯片i m p 8 1 1 s ， 该芯片性能优良，可以通过手动控制系统的复位，同时还可以实时监控系统的电源，一旦 系统电源低于系统复位的阀值( 2 9 v ) ，i m p 8 1 l 将会起作用，对系统进行复位。电路图如图 2 4 所示。 u 2 i p m 8 l l v d d 3 3q 一v c cr e 蹑t - 广三一m y v d d - 广一 一平p 一 言 - ： 图2 4 复位电路 2 2 3z l g 7 2 9 0 接口电路 在设计当中，为了使键盘部分能够即使有效的得到响应，我们采用了键盘专用芯片 z l g 7 2 9 0 来做键盘与a r m 的接口。该芯片采用的是i i c 串行接口，提供键盘中断信号，这 样能简单、方便的与处理器接口。而s 3 c 4 4 b o x 处理器支持多主模式的i i c 总线串行接口。 s 3 c 4 4 b o x 采用专门的串行数据线( s d a ) 和串行时钟线( s c l ) ，与总线上的其它外设传输信 息【1 6 】。z l g 7 2 9 0 的接1 2 电路如图2 5 所示。 d l g 7 d l g 6 d l g 5 d i g 4 d l g 3 d j g 2 d l g l d l g 0 s d a s c l 州t g n d 2 0 c s d a 尊禁k 邕c 3 ：! ! 鱼型d 矗j 石泛_ j 。”。 图2 5z l ( ；7 2 9 0 接口电路 2 2 4l c d 显示模块接口电路 在显示模块部分我们选择的是s 3 c 4 4 b o x 自带的l c d 驱动器，主板采用2 6 针双排插针 接口，l c d 接1 2 1 利用c p u 内部的l c d 控制器扩展2 5 6 色s t n 型液晶屏( 分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ) ， 具有对比度调节电位器【r 刀s 3 c 4 4 b o xf l q 置的l c d 控制器提供了下列外部接1 ：3 信号： v f r a m e ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的帧同步信号，它通知l c d 新的一帧的显示， l c d 控制器在完整的一帧显示后发出v f r a m e 信号。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 v l i n e ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的行同步脉冲信号，l c d 驱动器通过它来将水 平移位寄存器中的内容显示至l c d 屏上，l c d 控制器在一整行数据全部传输到l c d 驱动器 后发出v l i n e 信号。 v c l k ：此信号为l c d 控制器和l c d 驱动器之间的像素时钟信号，l c d 控制器在v c l k 的上升沿发送数据，l c d 驱动器在v c l k 下降沿采样数据。 v d 3 0 和v d 【7 。4 】：l c d 像素数据输出端口。 我们选择使用普通i o 口，模拟控制时序的方式来控制l c d 相应的显示。其具体连接电 路图如图2 6 所示。 p c 4 p c 5 p c 6 p c 7 p d o p d l p d 2 s 3 c 4 4 b o x 譬d 3 图2 6s 3 c 4 4 b o x 与l c d 连接图 采用8 位的p d u i 为数据线与l c d 的数据线接口d 0 d 7 相连；p c 4 - - - p c 7 作为控制信号线， 分别与l c d 的读、写、代码数据选择端，以及复位端口相连。l c d 的片选信号直接连接了 地线，也就是说让l c d 始终在“使能”状态下。这种方式免去了占用c p u ，在无需关闭显 示的情况下非常实用。 2 2 5u s b 接口电路 u s b 接口芯片采用的是u s b n 9 6 0 3 ，该u s b 控制器由n s 公司生产，支持u s b l 0 、u s b l 1 通信协议。它有3 种工作模式b o n o n - m u l t i p l e x e dp a r a l l e li n t e r f a c em o d e 、m u l t i p l e x e dp a r a l l e l i n t e r f a c em o d e 、m i c r o w i r ei n t e r f a c em o d e ，模式选择由管脚m o d e l 、m o d e 0 决定。设计时 把m o d e l ，m o d e 0 接地，因此接口模式定义为无复用并口模式，在该模式中由于d m a 没 有使用，因此把d a c k 接高电平。m c u 通过译码器生成的片选信号u s bc s 对u s b 控制器 进行选通，u s b n 9 6 0 3 通过u s bi n t 对m c u 发出中断请求。只有1 个d e v i c e 可用【1 9 】。u s b 的接口电路如图2 7 所示。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 u s b 6 0 3 d 0c i k a r r d l d2oi丌 d 3 d4)a时 d 5 d 6d d 7 譬妥丢丽 u 嘿巢0 _ 。悉 旦翌q 巨2ci 萄 = b n ，e = w 3 _ c ! 试 婴群婴粤二靠 n 陋旦! ；c r e s “e t ，od r q 弋u k u v c c d a c k 图2 7u s b 接口电路 2 2 6 串行e e p r o m 接口电路 串行e e p r o m 存储器是可选择部分，常用于保存系统的工作状态，设计成通过跳线的 方式选择是否用该存储器【2 0 】。串行e e p r o m 的接口电路如图2 8 所示。 图2 8e e p r o m 接口电路 2 2 7n o rf l a s h 接口电路 n o rf l a s l 选用2 m 字节的s s t 3 9 v f l 6 0 芯片。s 3 c 4 4 b o x 可以对8 个b a n k 进行寻址，每个 b a n k 的最大空间为3 2 m 。为了使处理器对各个设备的访问互不干扰，可以将不同类的设备 映射到不同的b a n k 内 1 8 j 。n o rf l a s h 是非易失性存储器，程序就算掉电也不会丢失，因此用 它作为操作系统内核及应用程序的存储空间。n o rf l a s h 的接口电路如图2 9 所示。 一一一一一一一一一 阱 啪 舳一姗咖 a 胍胍 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 图2 9n o rf l a s h 接口电路 2 2 8u a r t 接口电路 u a r t 艮i 通用异步收发器，是用于控制串行设备与计算机的接口。它提供t r s 2 3 2 数 据终端设备接口。数据发送接收波特率高j 送1 1 5 2 0 0 b p s ，具有r s 一2 3 2 平转换电路，可直 接连接p c 机2 2 1 。u 址盯的接口电路如图2 1 0 所示。 图2 1 0u a r t 接口电路 2 2 9s d r a m 接口电路 s d r a m 选用h y n i x 公司的8 m b 的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片。将s 3 c 4 4 b o x 的n s c s 0 i j i 脚连接 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 s d r a m 中的n c s 弓 脚处，这样s d r a m 就被映射到b a i l l ( 的相应位置f 2 l 】。由于s d r a m 是易失 性的可快速擦写的存储器，因此将它作为操作系统内核和应用程序的运行空间，即将n o r f l 嬲h 中存储的镜像文件解压到s d r a m 中的相应地址处运行。s d r a m 的接口电路如图2 1 1 所示。 l 厅百幅7 v 6 41 6 2 0 一 a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 8 a 9 a l a p a ll a i2 ( 5 6 ) d l d 1 0 d ll d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 v c c 1 4 2 7 4 9 3 9 4 3 4 0c 5 = o 1 u 】 5 2 4 6 6 l2 图2 1 1s d r a m 接口电路 2 3 步进电机光耦隔离输出 输出是干扰源进入系统的主要通道，控制系统是弱电控制强电，控制对象运转时，常 常产生很强的电磁干扰，如输出口不加以隔离，干扰就会进入系统控制部分，造成系统异 常，甚至不能使用。 光电耦合器是实现电隔离的核心器件，为满足响应速度的要求，最好能选用超高速光 电耦合器。本系统选用了6 n 1 3 7 ，它的高、低电平转换传输延迟时间较短，典型值为4 8 n s 。 它内封装了一个红外发光管和光敏三极管，图2 1 2 为管脚和内部结构的示意图。 多 ， 图2 1 26 n 1 3 7 管脚和内部结构的示意图 2457一。一m一一”一驼一一”一钉一鸲一如一引一” 唧则噼唧啷晒哪唧啷唧舢则耻娜 ”一m一”一拍一一勰一”一如一一弛一一一m一地一躬一m一越一m一们一觚一触一枷一川一呲一 武汉科技大学硕士学位论文第15 页 在本系统中，共用t f p g a 的4 位输出信号分别连接到4 个光耦，输出控制x ，y 轴上步 进电机的方向和脉冲信号。为保证隔离后的信号跟随输入信号，即多个光耦的输出延迟保 持一致，光耦的外围电路需保持对称。 缓冲输出为了提高系统的带负载能力，同时过滤掉光耦输出端的高频噪声，本系统采 用低通有源滤