ARM+DSP的嵌入式四轴运动控制器设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 ARM+DSP的嵌入式四轴运动控制器设计 运动控制系统已被广泛应用于工业控制领域。近年来，工业控制对运动控制系统的要求越来越高。传统的基于PC及低端微控制器日渐暴露出高成本、高消耗、低可靠等问题，已经不能满足现代制造的要求 。随着嵌入式技术的日益成熟，嵌人式运动控制器已经初露锋芒。基于ARM技术的微处理器具有体积小、低成本、低功耗的特点，决定其在运动控制领域具有良好的发展前景。 PCL6045BL是一种新型专用DSP运动控制芯片，它具有强大的数据处理能力和较高的运行速度，可以实现高精度的多轴伺服控制。为解决精细制造对低成本、可移植性强的通用型多轴数控系统的迫切需

2、求，文中给出一种基于ARM 微处理器S3C2440与DSP运动控制芯片PCL6045BL构成的嵌入式四轴运动控制器。该运动控制器具有高性能、低成本、体积小、可独立运行等特点，可以满足运动控制系统高速、高精度的 要求。它可广泛应用于雕刻机、机器人、绣花机以及数控加工等工业控制领域。 为解决精细制造对低成本、可移植性强的通用型多轴数控系统的迫切需求，给出一种基于ARM微处理器S3C2440和专用DSP运动控制芯片PCL65045BL组合的嵌入式四轴运动控制器。硬件上该控制器采用ARM+DSP的主从式双CPU构造，结合ARM在人机界面显示、通信接口方面的优势以及PCL6045BL高控制精度的优点。软

3、件上在S3C2440上移植C/OS-II实时操作系统来管理运动控制系统。该控制系统通用性较强，可广泛应用于雕刻机、机器人、绣花机以及数 控加工等工业控制领域。 1 系统总体设计 嵌入式四轴运动控制器主要由硬件部分和软件部分构成。 硬件主要包括S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL运动控制板两个部分。S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL运动控制板之间通过通用的IDE通信接口开展连接。 软件方面在硬件平台的根底上移植S3C2440实时嵌入式操作系统，设计Boot Loader、外设驱动以及运动控制系统的应用程序。采用上述的软硬件平台，嵌入式运动控制器可以到达开放性能好、精度高的要

4、求。本嵌入式四轴运动控制器的构造如图1所示。 ARM具有丰富的片内外围电路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器等，在人机界面的显示、通信接口以及系统移植方面具有更强大的功能。PCL6045BL运动控制芯片速度快，可靠性高，性能好，在运动控制方面有很大的优势。 实时操作系统C/OS-II包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步和内存管理等功能，可以使各个任务独立工作，互不干预，很容易实现准时而且无误地执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化 。将S3C2440处理器、PCL6045BL 以及C/OS-II三者的优势应用到本嵌入式四轴运动控制器中可以使其

5、具有强大的功能，并缩短开发时间。 本嵌入式四轴运动控制器以S3C2440为主控平台，在ARM上移植C/OS-II实时操作系统来开展人机界面的显示、I/O的管理、任务问的通信、指令的编译等工作。PCL6045BL运动控制模块主要负责位置控制，插补驱动，速度控制。用户的指令通过S3C2440指令编译系统的编译，通过与PCL6045BL之问的专用通信接口来控制DSP运动控制芯片发出脉冲以到达使伺服电机高速运行。 2 系统硬件设计 2.1 系统硬件平台设计 在控制系统中，以S3C2440处理器为主控，PCL6045BL运动控制芯片为从CPU，构建的嵌入式运动控制器构造如图2所示。 S3C2440是一款

6、16/32位ARM920T RISC处理器，它实现了MMU、AMBA总线和独立的16 KB指令和16 KB数据哈佛构造的缓存，每个缓存均为8个字长度的流水线。S3C2440提供全面的、通用的片上外设，不需要配置额外的部件。 PCL6045BL运动控制芯片，由NPM公司生产，是一种通过总线接收CPU命令、并产生脉冲控制步进电机或脉冲驱动型伺服电机的CMOS大规模集成芯片，可提供多种输出运动控制功能，包括连续、定长、回原点等输出方式。PCL6045BL可以实现24轴线性插补及任意两轴圆弧插补。 在这种主从构造框架根底上，主CPU S3C2440主要负责数据的存储、人机界面的显示、网络通信等管理工作

7、。从CPU PCL6045BL输出的脉冲发送给4个轴的伺服驱动器。S3C2440只需要通过发送简单的指令给PCL6045BL，便可实现各种控制功能。 2.2 ARM 与PCL6045BL的连接 PCL6045 BL与ARM的通信是通过读写I/O总线上的几个地址来开展指令和数据的传输。PCL6045BL每个轴的内部存放器地址由A0、A1 和A2地址线输人决定，其控制地址范围由输入端子A3和A4开展选择。因此在这种主从构造的设计中，ARM与PCL6045BL的连接如图3所示。 2.3 I/O接口电路 嵌入式四轴运动控制器与伺服电机之间是通过I/O接口电路开展连接的。I/O接口电路主要任务是完成输入

8、信号的光电隔离以及对输出脉冲的驱动。设计中采用光电耦合器将PCL6045BL芯片与后面的伺服电机驱动器以及其他控制反应等线路隔离。由于光耦合器输入输出问互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。将PCL6045BL的输出信号(如CP、CW等)和输入信号(如报警、限位等)都使用光耦器件与PCL6045BL隔离，这样能有效地防止干扰信号进入主芯片损坏PCL6045BL。 3 软件设计 系统软件部分由C/OS-II实时嵌入式操作系统及相关应用软件组成。C/OS-II实时嵌入式操作系统仅仅提供

9、了一个任务调度的实时内核，因而需要自行开发一系列与系统运行相关的设备驱动程序、API函数及应用程序，才能将C/OS-II扩展为一个完整、实用的实时操作系统。 3.1 Boot Loader的设计 嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由Boot Loader来完成。Boot Loader是系统加电后运行的段代码，负责初始化系统并启动操纵系统，相当于PC机的程序。Boot Loader初始化硬件设备，建立内存空间的映射图，为终调用操作系统内核准备好正确的环境。 Boot Loader分为阶段1和阶段2两个部分，与CPU核以及存储设备密切相关的处理工作通

10、常都放在阶段1中，且可以用汇编语言来实现；而阶段2则通常用C语言来实现一般的流程以及对板级的一些驱动支持。 阶段1主要开展定义入口、设置中断向量、系统存放器配置、初始化存放器等操作。而阶段2主要完成调用初始化函数、初始化闪存设备、初始化内存分配函数等操作。Boot Loader是嵌入式系统软件开发的个环节，把实时操作系统和硬件平台严密地结合起来，对于嵌入式系统的软件开发尤为重要。 3.2 C/OS-II在S3132440的移植 嵌入式实时操作系统C/OS-II是一个源代码公开的多任务实时操作系统内核，它简化了应用软件的设计，使控制系统的实时性得到保障。良好的多任务设计，有助于提高控制系统的稳定

11、性和可靠性。所谓移植，就是通过修改操作系统内核与处理器相关部分的源代码，使一个实时内核能在微处理器或微控制器上运行。C/OS-II的文件系统构造包括代码部分，配置代码部分，处理器相关代码部分，如图4所示。其中处理器相关代码部分包括OS_CPU.H,OS_CPU.A.ASM,OS_CPU.C.C 3个文件。将C/OS-II移植到S3C2440只需要修改与处理器相关的代码即可。 3.3 系统应用程序设计 实时应用程序的设计过程包括如何把问题分割为多个子任务，每个子任务都是整个系统的一部分，都被赋予一定的优先级，有自己的一套CPU存放器和堆栈空间。一个任务，也叫一个线程，是一个简单的程序，该程序可以

12、认为CPU完全只属于自己。在本设计中将任务划分为人机界面的设计、数控指令编译解释、伺服单元采集任务、状态监视等。C/OS-II可以按照优先级启动各个任务，并通过内核来完成任务之间的调度。系统的基本流程如图5所示。 S3C2440根据系统的应用程序对指令开展解释，调用运动控制函数，继而PCL6045BL发出脉冲控制伺服电机去控制执行机构动作，实现运动控制的结果。 3.4 NC代码解释 运动控制器承受来自上位机发送过来的加工文件，但加工文件指令在程序中不能直接被识别，在执行指令之前必须先对其开展解析译码。解释器的主要功能就是将用户程序以程序段为处理单位，将程序中的轮廓信息、运行速度和辅助功能信息，

13、转换成嵌入式运动控制器能够执行的格式。解释过程主要包括数控文件的读入、词法分析、语法分析以及加工信息存储数据构造等过程，如图6所示。 4 实例分析 上位机通过RS485总线与S3C2440连接，把NC指令文件输入到ARM 中，经过NC代码解释器，变成PCL6045BL能够识别的代码，从而完成规定的运动控制功能。用NC代码编写如下加工程序： N001 COO X15 Y25/起始点选定 N002 G18/XY平面选择 N003 G90 G01 X15 Y5/准备直线插补 N004 X30 Y5/(15，5)到(30，5) N005 X30 Y15/前行至点(30，15) N006 X45 Y15/前行至点(45，15) N007 X45 Y5/前行至点(45，5) N008 X60 Y5/前行至点(60，5) N009 X60 Y25/前行至点(60，25) N