（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的嵌入式运动控制系统研究.pdf

l i i il l ir i lli ipil l l l i ii y 17 9 7 8 4 3 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d d e s i g no f m o t i o nc o n t r o l s y s t e mb a s e d o na r m m a j o r：d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t c a n d i d a t e：z h o u w e i s u p e r v i s o r ：p r o f z h a o z h e n - h u a w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y ， 2 0 1 0 摘要 摘要 运动控制器广泛应用于数控，印刷，机械加工等行业。本文首先介 绍了运动控制器在国内外的发展历程，发展现状，插补算法，分析了通 用运动控制器中存在的问题，接着提出一种基于a r m 的全套运动控制器 设计方案，设计并实现一款精度高，通用性强，经济实用的运动控制器， 给出了硬件设计方案、软件构架和部分关键源代码。 运动控制器的硬件选用n x pa r ml p c 2 4 7 8 作为处理器，s d r a m 作为数 据存储器和f l a s h 芯片作为程序存储器，p c l 6 0 4 5 b l 作为插补芯片， a d s 7 8 4 6 作为触摸屏控制芯片，l m 3 5 2 5 作为u s b 接口电源供给芯片，凌 创液晶屏作为人机界面。 运动控制器软件采用uc o s - i i 操作系统作为平台，在此平台上实现 了u s b 主机接口，g 代码解释器，t f t 真彩色l c d 的显示，电阻式触摸屏 坐标值的采样，i jc g u i 的移植，人机交互界面的制作。 测试阶段，在一台上位机中绘制测试图形并生成g 代码，用u 盘将 g 代码拷贝到运动控制器并执行，执行过程中，运动控制器的x ，y 通 道输出脉冲，在另一台上位机中安装数据采集卡，并采集x ，y 通道的 脉冲的个数并折算成x ，y 方向上的位移量，将x ，y 方向上的位移量 实时的绘制在出来，形成模拟雕刻图形。比较两台上位机中的测试图形 和模拟雕刻图形，发现测试图形和模拟雕刻的图形精确一致；将测试图 形的长度通过当量换算成脉冲个数，与实际采集到的脉冲个数相比误差 不超过1 ，达到了预定精度要求。 关键词：a r m ，插补控制，运动控制 武汉i ：程大学硕j ：学位论文 i i a b s t r a c t a bs t r a c t m o t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sw i d e l yu s e di nn u m e r a lc o n t r o ls y s t e m p r i n t i n gi n d u s t r y , m e c h a n i c a lt r e a t m e n ta n ds oo n t h i st h e s i sg i v e sa b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t ，t h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ep r o b l e m s o fm o n t i o nc o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i sp r o v i d eaf u i ip l a nf o rt h ed e s i g n o fm o t i o nc o n t r o ld e v i c e ，ah i g hp e r f o r m a n c e ，p r e c i s i o n ，e c o n o m i c a la n d p r a c t i c a lm o t i o nc o n t r o ld e v i c ew a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h i st h e s i si n t r o d u c et h e h i s t o r y , t h ed e v e l o p m e n ta n de x i s t i n g p r o b l e m so f m o t i o nc o n t r o ls y s t e ma th o m ea n da b o a r d ，a n a l y z et h ef a c t s t h a tp r e c i s i o nd e p e n d so na n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m si nw i d e l yu s e d i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ew a si n t r o d u c e d ：n x par 【a sm a i n p r o c e s s o r , s d r a ma sd a t am e m o r ya n df l a s ha sp r o g r a mm e m o r y , p c l 6 0 4 5 b la si n t e r p o l a t i o nc o n t r o lc h i p a d $ 7 8 4 6a st o u c hs c r e e n c o n t r o lc h i p a n dl m 35 2 5a st h em a i nu s bp o w e rs u p p l yc o n t r o lc h i p uc o s 1 1w a su s e da st h ep l a t f o r mo fm o t i o nc o n t r o ld e v i c e a n d u s bh o s ti n t e r f a c e gc o d ei n t e r p r e t e lt f tt 】n j ec o l o rl c dd i s p l a y , s a m p l i n gr e s i s t a n c eo fr e s i s t i v et o u c hp a n e l t r a n s p l a n t i n go fuc g u i a n dh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ew e r ei m p l e m e n t e do nt h i sp l a t f o r m i nt e s t i n gs t a g e ，at e s t i n gg r a p h i c sw a sd r a wa n dr e l a t i v egc o d ew a s g e n e r a t e di nap c c o p y i n gt h eg c o d et om o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n d r u nt h egc o d e ，m e a n w h i l et h ex ，yc h a n n e lo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m o u t p u tp u l s e ad a t aa c q u i r ec a r dw a si n s t a l l e do nao t h e rp ca n dc o u n t t h en u m b e ro fx ，yc h a n n e l ，t h e nm a p p i n gt h ep u l s en u m b e ro fx ，yt o d i s t a n c eb yap r o p o r t i o n ，a n dd r a wt h ed i s t a n c ev a l u er e a lt i m e l ya n d f o r m i n g as i m u l a t e d g r a p h i c s c o m p a r i n gt h et e s t i n gg r a p h i c s a n d s i m u l a t e dg r a p h i c s ，f o u n dt h e ya r ee x a c t l yt h es a m e t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt w og r a p h i c si s 1p u l s e ag o o dp e r f o r m a n c eh a sb e e n a c h i e v e d k e yw o r d s ：a r mi n t e r p o l a t i o nc o n t r o l m o t i o nc o n t r o l i i i 武汉t 程大学硕： 学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录一v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究现状一1 1 3 研究内容3 第2 章运动控制器系统构成与方案设计5 2 1 运动控制技术概述5 2 2 主流运动控制器简介6 2 3 运动控制器方案设计7 第3 章运动控制器硬件设计9 3 1 运动控制器硬件设计方案一9 3 2 主控制器l p c 2 4 7 8 9 3 3 同步动态存储器1 0 3 4 非挥发性存储器1 1 3 5u s b 控制电路11 3 5 1 供电控制电路11 3 5 2 防静电电路1 2 3 6 触摸屏控制电路1 2 3 7 插补控制芯片p c l 6 0 4 5 b l 一15 3 8 编码器电路15 3 8 1 旋转编码器原理15 3 8 2 增量式光电编码器16 3 9 步进电机运动控制器18 3 1 0 硬件抗干扰措施1 9 3 1 0 1 电源的抗干扰设计1 9 武汉f ：程大学硕士学位论文 3 1 0 2 与外部接触端口的处理1 9 3 1 0 3 去耦电容配置1 9 3 11 本章小结2 0 第4 章运动控制器软件设计2 l 4 1 软件设计框图2l 4 2r t c o s i i 实时操作系统2 3 4 2 1 传统的软件设计的不足及嵌入式实时操作系统的选择2 3 4 2 2g c o s i i 概j 苤2 5 4 3u s b 通信模块2 9 4 3 2 硬件对枚举检测的支持31 4 3 3u s b 设备描述符3 2 4 3 4u s bh o s t 在l p c 2 4 7 8 上的配置3 3 4 3 5u s b 2 4 7 8h o s t 结构及设计思想3 6 4 3 6 枚举过程4 5 4 4g 代码解释模块4 8 4 4 1g 代码解释器功能分析51 4 4 2 解释器软件实现51 4 5 插补模块的实现5 9 4 5 1 直线插补的实现5 9 4 5 2 圆弧插补的实现6 l 4 6 人机界面模块6 2 4 6 1 液晶接口与驱动程序6 2 4 6 2g c g u i 图形用户接口6 6 4 6 3 菜单的设计6 9 第5 章测试与结论7 3 5 1 精度测试7 3 5 2 稳定性测试7 5 5 3 总结7 6 参考文献7 7 目录 攻读硕士学位期间发表的论文8 l 附录8 3 附录ig 代码初始化程序及部分数据结构8 3 附录i i 找出最后一个回车符子程序8 5 附录i i i 字符串处理和辅助程序8 8 武汉：程人学硕士学位论文 v l i l 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的进步和控制理论的发展，运动控制技术在国防建设 和国民经济中所起的作用越来越大，其应用也越来越广泛。例如，生产 过程中对机器人手臂的定位控制，机床的数字控制，自动焊接过程中对 焊枪的控制，热轧厂中对金属板厚度的控制，都属于运动控制的研究范 畴。在工业生产中，运动控制系统的使用既能提高产品的质量又能提高 产品的产量。运动控制技术正在不断地深入到各个领域并迅速的向前推 进，其应用范围已经涵盖了很多工业领域。 目前，运动控制技术己经由传统的数控加工技术晗3 ，发展成为具有开 放结构、能根据具体应用而快速重组的先进运动控制技术，并成为推动 新的产业革命的核心力量之一。运动控制器也从以p c 机作为核心部件发 展到了以专用芯片( a s i c ) 和以a r m 、f p g a 作为核心部件的开放式运动控 制器。结合上位机的应用软件，运动控制器实现的功能越来越强大，价 格也越来越低廉，应用也越来越广泛。 运动控制器涉及到很多学科的知识1 ，如模拟电子技术、数字电子技 术、智能控制技术、检测技术和运动控制技术等诸多方面的知识。由于 基于嵌入式处理器的通用运动控制器具有能实现脱机控制、价格低廉、 使用不受地域限制、简单易用等优点，逐步成为自动化控制领域里的主 导产品。从当前国内外市场来看，运动控制器具有良好的发展前景和广 阔的应用空间。 1 2 课题研究现状 伴随着半导体产业、计算机产业、数控技术产业的快速发展而取得 惊人业绩的运动控制器，在一些工业发达国家己经形成了一种新兴的产 业。它能够为从事各种机电一体化设备控制工作的应用工程师提供操作 亟茎坚! 矍奎堂堡堂堡笙茎 灵活、功能完备且使用方便的控制平台。从而使得应用工程师可以利用 工业控制计算机或嵌入式系统的现有资源，快速构筑各种各样专业化的 控制器。目前已经有许多公司( 如深圳雷赛公司，美国中宝伦) 开始采用 数字运动控制芯片生产基于工业控制计算机的控制卡或者独立型的控制 卡。独立型的运动控制器是指不基于工业p c 机，而采用嵌入式微处理器 构成的运动控制器接外部驱动器。该驱动器则用来驱动外部直流伺服电 机、交流伺服电机等执行机构，以此来完成运动控制过程。 数控技术在我国的发展已经有接近6 0 年历史，经历起步、停滞、引 进、消化、开发和创新等几个阶段h 1 。从上世纪5 0 年代起，一些高等学 校、科研院所和机床厂开始进行数控系统的研究和制造。由于受到当时 我国落后生产力制约，政治经济等方面的原因，没有取得较大的发展， 科研和生产都基本处于停止的状态。上世纪8 0 年代，我国分别从日本和 德国引进数控制造技术，并成立合资公司生产数控机床，打破了我国数 控技术停滞不前的局面。在这之后，经过“六五期间的技术引进、零 件组装成数控机床，“七五 期间期间的消化吸收国外的技术、实现零件 国产化，“八五 期间国家科技部组织的科技攻关及“九五”期间国家发 改委组织的产业攻关，我国的数控系统技术获得了量变到质变的飞跃， 研制出一大批具有自主知识产权的中高端数控机床。中国珠峰数控公司 的中华i 型采用工业p c 机作为主控板( i p c 4 8 6 d x 3 3 ) ，c p u 为i n t e l 公司 3 2 b i tp e n t i u m 5 8 6 微处理器，实现了多轴控制系统。 运动控制技术是现代化制造业的核心技术旧1 ，是衡量一个国家制造业 水平高低的重要标志之一。我国是一个制造业的大国，但数控技术的水 平还不是很高，与欧美、日本相比还有一定的距离，一些高精度的零件 还完全依赖进口，严重的制约着我国制造业水平的提高。最近几年，以 p c 机作为基础的c n c ，由于硬件的成本降低及应用软件的大量出现，为 其发展带来了新的机遇，同时也提供了我国数控系统有了赶上世界一流 水平的机会。然而，国内的运动控制的核心技术还停留在比较落后的阶 段，大多数的运动控制方案是利用现成的运动控制板卡开展的，灵活性 差，开发费用高昂。高性能方案基本都是直接购买国外系统级的产品或 2 第l 章绪论 者国外的运动控制器瞄，。 在我国发展最多的基于p c 机的数控系统有很多不足的地方：由于p c 的体积较大，这种控制系统需要插在p c 机的p c i 接口上，所以基于p c 的数控系统不能装入小型系统内或体积要求严格的微型系统，而且使用 场地也受到限制；除此之外，基于p c 的c n c 往往软件功能强大，相对一 些功能简单应用，就大材小用，成本过高。而嵌入式系统的蓬勃发展， 正好解决了基于p c 的数控系统的这种尴尬的局面。嵌入式系统为数控技 术提供了一种灵活方便的应用，能够嵌入在工业系统内部，加个铁丝网 就可以作一个良好的屏蔽，由于良好的屏蔽，在工业极端环境里能够连 续长期稳定可靠的工作，是一种微型、廉价的稳定可靠控制系统。 本设计的目标是研制一款基于a r m 微处理器，结合数字运动控制技 术、计算机控制技术等各种技术于一体的运动控制器。本文所设计的运 动控制器的实现是对现有的低成本和高性能数控系统的一种挑战。 1 3 研究内容 本设计通过对数控市场全面深入的研究，并走访了一些数控机床的 操作员了解工艺和一些正在使用数控设备的客户，了解市场需求的基础， 设计了一套基于a r m 的嵌入式运动控制器的设计方案。引进了嵌入式实 时操作系统uc o s i i ，用作多任务调度1 ，引入uc g u i 作为人机界面 的基础，这必将为其它运动控制系统的研究与开发提供有价值借鉴，对 我国开放式数控系统的发展与应用起一定推动作用，为祖国的繁荣昌盛 添砖加瓦，为工业运动控制产业的发展起到一定的推动作用口3 。本论文主 要内容如下： ( 1 ) 研究日本f u n c 数控机床( 大连机床厂生产) ，以此为蓝本，扬长 避短，研究自己的运动控制器。 ( 2 ) 走访一些正在使用数控设备的客户，了解他们的需求，比较几 种常用的运动控制方案，最终确定了基于a r m 运动控制的设计方案，并 总体规划了控制器的总体设计结构。 ( 3 ) 将开环的步进电机接上编码器，反馈步进电机旋转的转数，从而 ， 武汉工程大学硕士学位论文 构成闭环的系统，提高系统的精度。 ( 4 ) 给出系统的硬件构架，给出主要芯片的选型方案，并就工业控制 中常存在的干扰问题，分析其产生的原因，提出了有效的抗干扰措施。 ( 5 ) 给出了详细的软件设计及源代码，包括g 代码解释器，u s b 通信 的初始化代码。 ( 6 ) 最后以雕刻机作为机械平台，对运动控制器进行测试，并给出测 试结果。 4 第2 章运动控制器系统构成与方案殴计 第2 章运动控制器系统构成与方案设计 2 1 运动控制技术概述 在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类口，可分为点位、直线、 轮廓控制等。点位控制，又称为点到点控制，指的是从某个位置向另一 位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能到达目标位置的控 制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的移动速度及运动轨迹没有 严格要求，可以沿多个坐标同时移动，也可以先沿一个坐标移动完毕， 再沿另一个坐标移动。直线控制又称为平行控制( 这类运动除了控制点到 点的准确位置外，还要保证两点之间移动轨迹是一条直线，而且对移动 的速度也要进行控制。轮廓控制称为连续轨迹控制，这类运动能够对两 个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续的控制，可以进行曲面或 曲线的运动吲。 电气运动控制是由电力拖动发展而来的随1 ，电力拖动或电气传动是对 以电动机为对象的控制系统的通称。从电力拖动开始，经历四十多年的 发展历程。现代运动控制己成为一个以控制理论为基础，涵盖电机技术、 电力电子技术( 电力电子线路、电力电子器件) 、微电子技术、传感器检 测技术、自动控制技术、信息处理技术、微计算机技术和计算机仿真和 辅助制造( c a m ) 技术等多学科交叉应用的控制技术。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，其一般的构架如图所示： 图2 1 现代运动控制系统 其中，运动控制器是整个系统的核心，一般以c p u 为基础，以传感 器的输出作为反馈信号，以电机或动力装置和执行单元为控制对象。运 武汉。【程大学硕七学位论文 动控制器的主要任务是根据运动要求和传感器件的信号进行必要的逻辑 分析、数学运算圈3 ，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。 在运动控制系统中，按执行部件的类型分类可分为开环、半闭环和闭环 伺服系统。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正系统， 其位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等n0 | 。闭环和半 闭环伺服系统的位移检测系统可以提供直接或间接反馈信号，因此这种 伺服系统可以根据反馈量实现实时调整，这样就可以达到比开环系统更 高的精度，但系统成本和系统复杂性也会相应提高。通过添加编码器， 进行位置反馈，将传统的以步进电机为基础的开环系统改造成为半闭环 装置，提高了系统精度。 2 2 主流运动控制器简介 在运动控制器的发展过程中，经过国内外广大的科技人员长期的艰 苦卓绝的深入研究，对运动控制技术有了深刻的把握，研制出许多优良 的产品，主要研究成果如下： 美国德尔塔公司开发出基于d s p 的运动控制卡，可完成插补运算， 伺服控制，p l c 控制等实时控制功能。p m a c 同时控制卜8 轴，每秒可执 行5 0 0 多个程序段，得到较为广泛的应用n 。 n i ( 美国国家仪器) 开发出p c i 一3 21 2 p x i 一6 3 4 2 、p x i 一2 3 2 3 、p x i 一5 6 8 、 p d w - 2 3 1 2 、p d w - 4 5 7 8 等以工业p c 机为基础的一系列多轴控制器。 德国m o v 科技公司基于p c 机开发运动控制卡，是专用控制步进电机 和数字伺服电机的运动控制器，最多可控制4 轴联动，进行直线和圆弧 插补等运动，也可以采用多个控制器链接级联的方式控制更多的运动轴， 每个控制轴的最高脉冲输出频率可达1 2 0 k h z 。 深圳市摩信科技有限公司的运动控制卡m o t i o n ，是新一代开放式结 构的2 到8 轴运动控制器系列产品。该控制器的处理器采用美国德州仪 器公司的t m s 3 2 0 c 3 1 数字处理器，软件实现的输出方式有：有梯形，双s ， 双抛物线插补，并且数字输出接口为可编程类型，输出频率范围o - 9 k h z 的脉冲用于驱动步进电机。 深圳市雷赛科技公司生产的d m c 系列伺服运动控制器，其最大脉冲 6 第2 章运动控制器系统构成与方案设计 输出频率可达5 m h z ，支持直线插补和高速圆弧硬件插补，是一款性价比 颇高的运动控制器。 深圳固高科技有限公司的g t 4 0 0 通用型运动控制器，可控制伺i r i 步 进电机，g h - 8 0 0 高性能运动控制器，可控制8 个伺服轴或4 个步进轴， 性能十分优良。 南京顺康数码科技有限公司开发的m c 6 0 1 4 a 使用了运动控制芯片 m c x 3 1 4 ，该芯片带插补功能、可以控制4 个马达，适用于p c a t 机工业 总线的线路板，而p c i - 1 2 4 0 运动控制卡则可以同时控制4 个步进脉冲 型伺服电机，是基于p c i 总线的运动控制卡n 别。 b o s c h 精密测控有限公司生产的m o t i o n c o n t r o l 系列运动控制卡，是 一款基于i s a 总线的运动控制卡，该卡采用专用运动控制芯片m x 3 0 4 ，此 芯片内部可完成s 形、梯形速度曲线规划来实现自动加减速功能，最高 脉冲输出频率可达2 4 m h z ，具有差动或单端编码器反馈信号接口，能利 用零位开关、减速开关及编码器z 相信号实现高速高精度原点返回操作 n 引。由于i s a 总线逐渐被p c i 总线取代，这种接口的运动控制卡也逐渐 淡出市场。 深圳市斯迈迪科技发展有限公司于2 0 0 4 年推出的基于f p g a 的高性 能运动控制芯片方案一s m 5 0 0 1 系列。该方案是可以控制2 到6 轴的高性 能运动控制f p g a 系列芯片方案，也是片上系统方案。适用于脉冲序列输 入的伺服马达、步进马达。可以进行各轴独立的定位控制、速度控制， 亦可在多轴中任意选择2 轴、3 轴、4 轴( 或更多轴) 来进行圆弧、直线方 式插补n 2 | 。 2 3 运动控制器方案设计 运动控制器是指以中央处理器的算法为核心，以传感器输出信号为 反馈输入，以电机或其它执行机构为控制对象的一种控制装置n 。本项 目中将运动控制器的概念进行延伸，增加人机交互功能。它的主要功能 是将用户输入的指令( 以g 代码文件形式存在) 经过解释，逻辑判断，分 析识别后，控制电机或其它执行机构运动，完成用户的要求。 7 武汉工程人学硕十学位论文 本项目中设计了一款3 轴运动控制器，采用l p c 2 4 7 8a r m 作为处理 器，通过读取u 盘或s d 卡中的g 代码文件，解析后控制3 路步进电机的 协调运动，带动刀头，从而雕刻出用户需要的图案，并在雕刻的过程中 实时的显示雕刻信息，如绝对坐标，正在执行的g 代码，所使用刀具的 类型，刀头直径等等。g 代码文件通过上位机( p c 机) 上生成，可以生 成g 代码文件的软件有很多，本项目中采用法国t y p e 3 软件生成g 代码。 第3 章运动控制器硬件设计 第3 章运动控制器硬件设计 3 1 运动控制器硬件设计方案 运动控制器硬件设计实现方案主要由u 盘读取电路，脉冲输出电路， 编码器信号采集电路，触摸屏控制电路以及电源电路组成。其功能与硬 件组成原理如图3 1 所示。a r m 通过u s b 接口读取g 代码文件，解析g 代 码文件的内容，发运动控制指令给运动控制芯片p c l 6 0 4 5 b l ，将运动过程 中的运动信息、状态信息实时的显示到l c d 上，通过编码器接收电路判 断步进电机是否失步。 图3 1 硬件电路示意图 3 2 主控制器l p c 2 4 7 8 l p c 2 4 7 8 n 7 3 是n x p 半导体公司针对各种工业控制、图像显示等场合而 设计的一款具有高集成度并且以a r m 7 t d m i - s 为内核的微控制器。l p c 2 4 7 8 微控制器具有5 1 2 k b 片内高速f l a s h 存储器，该f l a s h 存储器具有特殊 9 武汉： 程大学硕十学位论文 的1 2 8 位宽度的存储器接口和加速器架构，可使c p u 以高达7 2 m h z 的系 统时钟速度来按顺序执行f l a s h 存储器的指令。l p c 2 4 7 8 还带有实时调试 接口，包括j t a g 和嵌入式跟踪在内，可以执行3 2 位的a r m 指令和1 6 位 的t h u m b 指令。 l p c 2 4 7 8 微控制器包括1 个l c d 控制器、1 个i o i o o b a s e 的以太网 媒体访问控制器( m a c ) 、1 个带4 k b 终端r a m 的u s b 全速d e v i c e h o s t o t g 控制器、4 路串口，其中有一路全功能的串口，2 路控制器局域网( c a n ) 通道、1 个s p i 接口、2 个同步串行端口( s s p ) 、3 个1 2 c 接口和1 个1 2 s 接口。同时还带有1 个片内4 m h z 内部振荡器、9 8 k b r a m ( 包括6 4 k b 局部 s r a m 、1 6 k b 以太网s r a m 、1 6 k b 通用d m a s r a m 和2 k b 电池供电s i 洲) 以 及1 个外部存储器控制器( e m c ) 来支持上述的各种串行通信接口。它还 带有4 个3 2 位定时器、每个定时器都可以用作捕获功能，1 个1 0 位的 a d c 、1 0 位的d a c 、2 个p w m 单元和多达1 6 0 个的高速g p i o ，与其所具有 的众多的串行通信控制器，灵活的时钟能力。l p c 2 4 7 8 中有6 4 个g p i o 管 脚被连接到了以硬件为基础的向量中断控制器( v i c ) 上，意味着这些外 部的输入可以产生边沿触发中断。所有这些特点都使l p c 2 4 7 8 器件特别 适用于工业控制场合。 3 3 同步动态存储器 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 n 刚是一个容量为1 6 m x1 6 b i t 的同步d r a m 存储器。在运 动控制器中使用了一个7 英寸8 0 0 x 4 8 0 的1 6 位颜色的t f t 液晶屏，因 而就需要为其分配一块8 0 0 4 8 0x2 b y t e 的内存作为显存，由于a r m 内 部提供的r a m 为9 6 k ，显然不能满足显存的需要，所以外面扩展r a m 。 d r a m 是d y n a m i c r a n d o ma c c e s s m e m o r y 的缩写，与s r a m ( s t a t i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 相比，需要周期性的刷新，才能保存数据，是 行列地址复用的，许多都有页模式，速度不如s r a m 快。但是它集成度高， 容量大，价格低廉，早期p c 机就是使用此内存，其速度可以达到1 3 3 m ， 远远超过a r m 处理器的7 2 m 速度，对于a r m 其存储速度并不慢，并且 l p c 2 4 7 8 上已经集成了d r a m 的控制器，所以选用了d r a m 作为外扩存储器。 1 0 第3 章运动控制器硬件设计 3 4 非挥发性存储器 在系统的设计中，需要显示从u 盘读出的文件名，因此需要存储 g b 2 3 1 2 标准收录的6 5 0 0 多个汉字的2 种字型码，大约需要2 m 的存储空 间，分别为1 6 1 6 和4 8 , 4 8 点阵的字型码，还需要存储公司的l o g o 图片， l p c 2 4 7 8 自带的512 k f l a s h 远远不够存储这些数据，考虑到存取速度，采 用了总线型的s s t 3 6 v f 6 4 0 1 刚非挥发性存储器扩展了4 m 1 6 位f l a s h 存 储空间。 s s t 3 6 v f 6 4 0 1 是一片4 m x1 6 位的总线型n o r f l a s h 存储器。采用总线 ( 1 6 位数据总线，1 2 为地址总线，w e ，o e ，c s 控制总线) 的方式和l p c 2 4 7 8 相连接，它的读写周期分别为7 0 n s 和9 0 n s ，a r m 可以实现无等待读写。 3 5u s b 控制电路 3 5 1 供电控制电路 u s b 供电控制电路如图3 2 所示，控制芯片l m 3 5 2 5 乜们是一款u s b 过 流保护芯片，具备使能端，当使能端无效时，停止对外供电，当使能端 有效是才会对外供电，这就十分方便处理器控制u s b 设备，通过这款芯 片给外部u s b 设备提供稳定的电流，当外部的u s b 设备需求电流大于 5 0 0 m a 时，等效电阻小于1 0 欧姆的时候，l m 3 5 2 5 停止对外供电，并通知 l p c 2 4 7 8 a r m 处理器外部设备电流过大，因此即使在外部u s b 供电电源的 正负极短接的情况下系统也能够工稳健地工作。为在外部u s b 设备出现 故障时，特别是短路时，提示用户u s b 端口设备电流过大做好了硬件准 备，该芯片的使用大大提高了系统的稳定性。 武汉工程人学硕十学位论文 d 穿 州o c 卜9 p 书生上山幽 l e d 2 图3 2u s b 模块电路图 3 5 2 防静电电路 众所周知，u s b 设备是可以热插拔的，但这样的特性需要硬件的支持， 热插拔会导致静电问题，所以引进了e s d 芯片。e s d 芯片能快速释放电荷， 由于u s b 数据线上传输的是高频信号，普通的e s d 芯片的极间电容会影 响u s b 数据的传输，所以这里选用超低电容的p r t r 5 v o u 2 x 心，可以防止 8 k v 的静电，引脚与地之间的电容只有1 p f ，对比加芯片前后u s b 数据总 线的眼图，发现该芯片对u s b 的数据传输没有影响。 3 6 触摸屏控制电路 a d s 7 8 4 6 瞳列采用c m o s 工艺制成，如图3 3 所示，可工作在2 6 5 5 v 电压下，内建一个4 路低导通电阻模拟开关组成的供电一测量电路，1 2 位 逐次逼近类型a d 转换器和异步串行数据输入输出接口用于和处理器通 信。内部结构如图3 3 所示，a d s 7 8 4 6 根据微控制器发来的不同测量命令 控制相应的模拟开关导通和断开，以便向触摸屏电极对提供电源，并把 相应电极上的触点坐标位置所对应的电压模拟量引入a d 转换器。错误! 未找到引用源。为a d s 7 8 4 6 内部结构图，x + 、y + 、x 一、y 一为触摸屏电极 第3 章运动控制器硬件设计 模拟电压输入，c s 为a d s 7 8 4 6 的片选输入信号，低电平有效，d c l k 接外 部时钟输入，为芯片进行a d 转换和异步串行数据输入和输出提供时钟； d i n 串行数据输入端，当c s 低电平时，输入数据在时钟的上升沿将串行 数据锁存；d o u t 串行数据输出端，在时钟下降沿数据由此移位输出，当 c s 为高电平时；d o u t 呈高阻态。b u s y 为系统忙标志端，自带精准的2 5 v 参考电压源。当c s 为低电平且b u s y 为高电平时，表示a d s 7 8 4 6 正在进 行数据转换；p e n i r q 为触摸中断，低电平有效，十分方便做成中断系统； i n 3 、i n 4 为辅助a d c 转换输入通道，+ v c c 为电源输入。 两雨薅石 图3 3a d s 7 8 4 6 内部结构 a d s 7 8 4 6 是a d s 7 8 4 3 的升级芯片，除了具备a d s 7 8 4 3 d 的所有功能外， 还提供了触摸屏压力大小检测，提供内部参考电压源和温度测量的功能。 其中压力大小检测功能是一个非常实用的功能，因为电阻式触摸屏的原 理是通过判断电阻值的大小来判断用户在触摸屏上触摸的坐标，而在测 量电阻值大小时又不可避免的要引入接触电阻，在用户从接触到触摸屏 到最终触摸稳定的过程中其压力大小是从0 到最大值逐渐递增的。在压 武汉t 程大学硕士学位论文 力比较小的时候，经实验测得电阻值比接触稳定的时候要偏大很多，这 就造成较大的测量误差。图3 4 是用示波器捕捉到一次触摸过程中，触 摸屏电压的变化图，在以前的实践中( 使用a d s 7 8 4 3 的应用) ，没法进行 压力测量，不能判断用户按下去的力度，必须使用软件去抖动，浪费处 理器时间，特别是在没有引进操作系统的时候，即在检测到用户按下后， 延时一段时间再读，这无疑加重了软件的负担，而且延时的长度不好把 握，在实践中一般设置约4 0 m s ，在用户从稳定按下到松开的过程中也存 在同样问题，压力从最大变为0 ，接触电阻从最小变成最大，也给测量造 成很大误差，且不能用延时等方法来规避这类问题，在实践中，采用将 当前点和前一点作比较的方法，因为在检测到触摸后扫描程序会延时 l o m s 再查询一次触摸屏，如果当前点和前一点差值过大，就将当前点抛 弃。此方法勉强能用，但也有一些缺陷，比如当前点和前一点的差值门 限不好把握，差值门限与每秒查询触摸屏的次数和用户划过触摸屏的速 度有关，如果用户划过触摸屏速度很快，这个值要设置得小些，如果每 秒查询触摸屏次数减少，这个值也要设置得小些，所以在实际应用不容 易设定出满意的值。 r i g o l ：。：。： i ：!： ：；! 。j ! ：o 二1 二二二二三二三二二。旷一；l 二l 00 - 00 0 0 0 000 5 0 o o m o e l e 虻o o o o s 图3 4 示波器捕捉到的触摸屏电压变化曲线 1 4 第3 章运动控制器硬件设计 在采用了a d s 7 8 4 6 作为触摸屏控制芯片之后，能够对压力大小进行 测量，在检测到有触摸之后，接着对压力大小进行测量，在压力值太小 时，认为是不稳定的接触，等到到压力达到一定门限值后再进行测量， 此时在a d s 7 8 4 3 中出现的问题就迎刃而解了。 3 7 插补控制芯片p c l 6 0 4 5 b l p c l 6 0 4 5 b l 啦3 1 芯片由日本脉冲马达株式会社( n p m ) 生产，是一种总线型 芯片，通过传统的数据总线，控制总线和地址总线接收命令，因此与c p u 通信速度非常快，当接收到指令后产生脉冲控制步进电机或伺服电机。 其简单的接口、强大的功能、良好的稳定性，使其广泛应用于数控机床、 机器人等运动控制领域。芯片对位置、轨迹插补和速度控制功能非常好， 可实现多达4 轴的运动控制，这包括任意2 到4 轴直线插补以及任意两 轴圆弧插补，可用多种模式实现回原点运动，这包括指令回原点，机械 回原点，精确回原点等；在运动过程中可实时改变速度和目标位置。芯 片还提供一些可以用作通用i o 口的引脚，可配置为输入或者输出，并可 以用于对其工作状态进行监测。比如可以输出当前的运动状态、中断状 态、c p u 运动是否出错等。在作圆弧运动时，起点和终点的距离大于半径 的2 倍，这都会导致运动出错，以及伺服驱动器所需要的控制接口，这 使得c p u 通过简单的命令实现各种运动控制。 3 8 编码器电路 3 8 1 旋转编码器原理 光电编码器们是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具 有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠等优点。近几年来， 发展为一种成熟的、多规格的工业化产品，广泛应用在数控机床、机器 人、雷达、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中。光电编码器 定义为：一种通过光电转换，将旋转轴上的机械、几何位移量转换成脉 冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置( 角度) 的检测。典型的 光电编码器由码盘、检测光栅、光电转换电路( 包括光源、光敏器件、 武汉t 程大学硕十学位论文 信号转换电路) 、等机械部件组成。 根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以将其分为增量式、绝对 式以及复合式三大类盼引。由于直线式运动可以借助机械装置如滚轴丝杆 转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式 都有利于使用直线式光电编码器的场合才予以使用，比如打印机打印头 在左右运动时，可以通过直线型的编码器反馈打印头的水平位置。旋转 式光电编码器易于做成全封闭型式，这样就不容易受到外界灰尘，光线 等干扰，因而易于实现小型化，使其传感长度较长，环境适用能力强， 所以在实际工业生产中得到广泛的应用。 3 8 2 增量式光电编码器 增量式光电编码器口妇的特点是每产