嵌入式运动控制器系统的设计与开发

嵌入式运动控制器系统的设计与开发摘要：本文综合运用嵌入式系统技术和运动控制技术，采用X86架构的PC104作为核心中央处理器的方案，详细介绍了嵌入式运动控制器的硬件设计，及如何使用WindowsCEPlatformBuilder开发平台，进行裁减和定制嵌入式运动控制器的WindowsCE操作系统平台，进行软件设计。1引言目前，嵌入式技术已成为通讯、控制和消费类产品的发展方向，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它的开发应用已被列入国家重点科技发展计划，以其体积小、功能强、价格低的优势而得到日益广泛的应用，已成为工业自动化应用的一种趋势。运动控制器技术，是综合应用自动控制、计算机控制等相关技术，对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。嵌入式结构的运动控制器把计算机嵌入到运动控制器中,能够独立运行,它与计算机之间的通信采用了可靠的总线连接方式（采用针式连接器）,更加适合工业应用。2系统硬件平台设计嵌入式运动控制器主要包括两个部分：嵌入式CPU主板和运动控制模块12312。运动控制模块可采用固高科技有限公司的高性能运动控制板卡，在高性能运动模块的基础上，对嵌入式处理器部分有严格的要求，例如：对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间;具有功能较强的存储区保护功能;可扩展生长的处理器结构，能迅速地开发出满足各种应用性能的嵌入式微处理器;功耗很低等等。图1PC104模块可选的方案包括：1）基于单片机，适合于数据量小、速度较低、功能简单的现场控制，无法胜任要求高速、高精度的运动控制器。2）基于ARM架构或其他微控制器，优势在于简单的设计和高效的指令集，但是目前对现有通用软件的兼容性不理想，必须培训专门的软件人员。3）PC104的X86架构，即X86体系结构的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD、威盛、ICOP（昭营科技）等公司与其兼容的CPU。通过PC104总线，连接X86架构的PC机主板与运动控制板卡，组成嵌入式运动控制器。在非常成熟的运动控制板卡技术的基础上，这种形式的嵌入式运动控制器实现简单，开发时间较短。因此选用了ICOP-6070嵌入式主板作为系统核心，具体接口见图1。除了核心控制模块外，就是运动控制模块，它是具体动作的执行者。嵌入式PC104主机板通过插件直接插装在运动控制卡上，运控卡上有两个DB62插座，连接到端子板上，再由端子板给出控制电机信号。由于运动控制器和计算机模块之间分别采用插针式的连接，相互独立，运动控制器和PC板都可以作为一个独立的模块，生产升级容易，维修方便，可靠性也相对较高。图2为嵌入式PC104主板和运动控制卡之间机械连接示意图。图2核心模块与运控模块的连接示意图系统的完整构建过程如下：（1）将ICOP-6070嵌入式主板与固高运动控制卡通过PC104接口装在一起。（2）然后将外部输入设备和输出设备接到嵌入式主板上。（3）其次通过两个根62PIN的数据线将固高IO端子板和固高控制卡接在一起。最后将24V的输入信号，输入给固高IO端子板和嵌入式主板。3软件平台设计工业嵌入式系统的主要指标是：实时性、高效率、安全稳定性与可靠性以及结构紧凑、易于剪裁、良好的开放性。可供嵌入式应用的图形操作系统有多种，比如WindowsCE、PalmOS等，而PalmOS一般只应用在手持设备上。适合工业环境应用（过程）标准的系统，目前有WindowsCE和Linux等几种。WinCE是微软开发的多任务嵌入式操作系统，模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支持很多种嵌入式CPU（包括X86,arm等）。选择WindowsCE.net嵌入式操作系统，作为本嵌入式运动控制系统的操作平台，最主要考虑Windows操作简单实用，多任务的操作，功能的强大，性能的稳定，最主要是Windows程序移植方便，熟悉Windows程序开发的人员，能够迅速掌握WindowsCE.net程序的开发，同时减少程序开发人员的难度。3.1操作系统平台设计为了能够能在WindowsCE.net操作系统，必须定制一个WindowsCE.net操作系统平台，平台的生成可以使用WindowsCE.net的工具PlatformBuilder4.2。其生成平台主要步骤如下：（1）将WindowsCE.net4.2的操作平台装入PC机。（2）将ICOP6070的BSP程序安装到PC机。（3）执行“PlatformBuilder”，进入平台创建向导对话框，点击“NEXT”接钮。在此对话框，须要为ICOP主板选择“ICOP_VORTEX86”BSP程序。（4）继续点取“NEXT”按钮，在对话框中，可以选择“IndustrialController”功能项。当嵌入式平台创建成功后，则需要对此平台进行编译设置;在采用平台创建向导生成的一个平台后，可能此平台存在不需要的文件信息，又或缺少相关文件。为此，要对此平台进行删除、添加相关文件，配置相关编译信息。（1）手动添加对存储硬盘和FAT文件系统的支持。先在目录显示区中的“DeviceDrivers”-“StorageDevices”-“StorageDevices”找到“ATAPIPCI/IDEStorageBlockDriver”信息，在此栏上点击鼠标右键，在弹出的对话框中，点取“Addtoplatform”一项，此时，此相关信息就被加入到平台工程中。采用同样方法，在目录显示区中的“CoreOS”-“Displaybaseddevices”-“FileSystemsandDataStore”-“StoreManager”找到“FATFileSystem”信息，在此栏上点击鼠标右键，在弹出的对话框中，点取“Addtoplatform”，相关信息就被加入到平台工程中。（2）需向平台工程中加入对WindowsSDK和MFC类库的支持.MFC类库支持在目录显示区中的“CoreOS”-“Displaybaseddevices”-“ApplicationsandServicesDevelopment”-“MicrofotFoundationClasses（MFC）”。（3）嵌入式平台的工程基本功能添加完毕后，就可以编译此平台。在编译平台之前，先进行平台设置，在“PlatformSettings”对话框，选中选项“EnableImagesLargerthan32MB”，保存更改设置。（4）编译平台，生成WindowsCE.NET操作系统的映像文件NK.bin。（5）完成了嵌入式平台的工程，可以将NK.bin下载到主板运行，也以通过网络下载到嵌入式主板上运行。3.2嵌入式运动控制器驱动程序在使用运动控制器之前，必须先安装运动控制器的驱动程序，这样才可以正确使用运动控制器，加入此驱动程序的步骤如下：（1）将运动控制器驱动程序文件GooGolDriver.dll拷贝到平台的Release目录下。（2）在平台编辑环境中打开工程中project.reg文件，将如下文本内容复制到此文件中。HKEY_LOCAL_MACHINEDriversBuiltInGooGolDriverDll=GooGolDriver.dllOrder=dword:0Index=dword:1Prefix=GOL（3）在平台编辑环境中打开工程中project.bib文件，将如下文本内容复制到此文件中。GooGolDriver.dll$（_FLATRELEASEDIR）GooGolDriver.dllNKSH（4）上述操作可用于注册驱动程序和将驱动程序GooGolDriver.dll打包到映像NK.bin。驱动程序文件GooGolDriver.dll导出十个函数，用于提供给系统调用，函数分别如下：GOL_Close，GOL_Deinit，GOL_Init，GOL_IOControl，GOL_Open，GOL_PowerDown，GOL_PowerUp，GOL_Read，GOL_Seek，GOL_Write。这十个函数不能够直接调用，WindowsCE.NET有专用的API函数可以调用它们。3.3运动控制器动态链接库安装：在使用运动控制器之前，须先安装运动控制器的动态链接库，才可以正确使用运动控制器。动态链接库包含对运动控制器的运动函数指令，如直线运动指令GT_LnXYZ,圆弧运动指令GT_ArcXY等等。加入此驱动程序的步骤如下：（1）将文件gtdll.dll拷贝到平台的Release目录下。（2）在平台编辑环境中打开工程中project.bib文件，将如下文本内容复制到此文件中。gtdll.dll$（_FLATRELEASEDIR）gtdll.dllNKSH（3）上述操作可用于注册驱动程序和将驱动程序GooGolDriver.dll打包到映像NK.bin中。4控制软件的设计构建了系统软件后，还需要进行应用软件的开发设计。嵌入式软件的开发平台有多种，较为常见的开发平台为：eMbeddedVisualC+,与Windows操作系统下的开发环境VisualC+非常类似，所以熟悉windows操作系统VisualC+开发环境的人能够较快掌握eMbeddedVisualC+。使用eMbeddedVisualC+开发之前先安装嵌入式操作平台的SDK，否则无法打开eMbeddedVisualC+。构建嵌入式操作平台的SDK操作如下：（1）PlatformBuilder平台开发环境中，点取“Project”-“ConfigureSDK”,配置将生成的SDK。在配置对话框中，可以修改将导出的SDK的文件名及其存入目录、相关信息。SDK的文件名为ICOP6072_SDK.msi。（2）配置好SDK导出的相关信息后，再点取“Project”-“BuildSDK”，在此对话框中，可以导出一个SDK，在配置文件设置目录下，创建一个ICOP6072_SDK.msi的文件。（3）在Windows操作系统下双击ICOP6072_SDK.msi文件，安装Icop5072的嵌入式系统的SDK。（4）至此，嵌入式系统的SDK安装完毕，eMbeddedVisualC+可以在此SDK的基础下开发程序。本软件最主要的功能通过运动控制器的运动指令的调用，来实现在运动控制器的使用，满足具体的应用中的控制过程。工业控制软件是工控系统中用于控制工业生产的软件部分，其安全性和可靠性的要求是非常高了。本控制软件除了具有工业控制软件的基本特点之外，还需有具有以下特点：系统软件的长期稳定工作的特性;控制软件实时性;控制软件操作的实用性、简单性;根据工业控制软件特点，因此本软件中没有丰富的图形显示界面，主要从功能实现、软件稳定性、控制的实时性、软件操作简单上编写。以能够完好的达到功能演示为目的编写此程序。在对嵌入式运动控制器操作之前，先必须初始化嵌入式运动控制器;为了更好的反应当前加工状态，须要实时读取当前加工机床的实际位置，根据此位置信息，把实际的加工情况用简单的三维图形显示出来。5小结传统基于PC的运动控制器，采用软件实现的控制方法，无论性能如何提高，也不能胜任越来越高的高速高精度要求。嵌入式运动控制器的研究是一个系统的过程，为了确保性能的稳定和可靠性，必须对软硬件的设计有一个全面地认识。本文提出的PC104设计方案解决了目前市场对嵌入式运动控制器的强大需求。本文的研究内容将对今后