ARM與PCL6045B的嵌入式運動控制器設計

ARM與PCL6045B的嵌入式運動控制器設計

引 言
??? 運動控制器是運動控制系統的核心部件。目前，國內的運動控制器大致可以分為3類：

??? 第1類是以單片機等微處理器作為控制核心的運動控制器。這類運動控制器速度較慢、精度不高、成本相對較低，只能在一些低速運行和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應用。

??? 第2類是以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結構比較簡單，大多只能輸出脈沖信號，工作于開環控制方式。由于這類控制器不能提供連續插補功能，也沒有前饋功能，特別是對于大量的小線段連續運動的場合不能使用這類控制器。

??? 第3類是基于PC總線的以DSP或FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。這類開放式運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插件形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣的運動控制器具有信息處理能力強，開放程度高，運動軌跡控制準確，通用性好的特點。但是這種方式存在以下缺點：運動控制卡需要插入計算機主板的PCI或者ISA插槽，因此每個具體應用都必須配置一臺PC機作為上位機。這無疑對設備的體積、成本和運行環境都有一定的限制，難以獨立運行和小型化。

??? 針對這些問題，設計了一種基于ARM+DSP的嵌入式運動控制器。該控制器將嵌入式CPU與專用運動控制芯片相結合，將運動控制功能以功能模塊的方式嵌入到ARM主控板的架構，把不需要的設備裁減掉，既兼顧功能又節省成本。該控制器是一種可以脫離上位機單獨運行的一種獨立型運動控制器，具有良好的應用前景。

1 嵌入式運動控制器的硬件平臺設計
??? 嵌入式運動控制器的硬件主要包括兩個部分：ARM主控板和DSP運動控制板。這兩塊控制板通過通用I／O口以總線的方式連接在一起。在設計時，可以分別對ARM主控板和DSP運動控制板進行設計，最后再調試。這種將ARM主控板和DSP運動控制板分開設計和調試的硬件方案，將設計難點分散，使設計和調試更簡單。
1．1 ARM主控板部分
??? 本系統采用的ARM芯片為Samsung公司推出的16／32位RISC處理器S3C2440A，主頻為400 MHz，最高頻率可達533 MHz。ARM主控板以嵌入式處理器S3C2440A為核心，外擴存儲器和通用設備接口。ARM主控板的硬件結構框圖如圖1所示。

??? 通過通用I／O接口與DSP運動控制板通信，實現ARM主控板與運動控制板之間數據的實時雙向傳送；外部NAND Flash存儲器(64 MB)，用于存儲系統參數及運動指令；NOR Flash存儲器(2 MB)，用于存放系統運行程序；SDRAM存儲器(64 MB)，用于存放臨時數據；通過串口、以太網接口、USB接口與上位機系統通信，實現兩者之間數據的傳送；通過LCD接口，實現320×240分辨率液晶屏的圖形與字符顯示，并具有觸摸屏接口，提供友好的人機交互界面；通過I／O擴展接口，提供可編程的數字I／O通道；通過JTAG接口與PC機通信，實現系統運行程序的仿真調試及下載，軟件升級接口。

1．2 DSP運動控制板部分
??? 本系統DSP運動控制芯片選用PCL6045B。PCL6045B是一種功能十分強大的DSP運動控制芯片。芯片能夠控制四軸，并實現兩軸到四軸直線差補、兩軸圓弧差補。所有插補計算由芯片完成，上位機只需寫入圓弧的參數即可，其多軸插補控制功能特別優秀。系統硬件采用主從式雙CPU結構模式。主CPU為ARM處理器，負責鍵盤、顯示、網絡通信等管理工作；從CPU為PCL6045B運動控制芯片，專門負責運動控制的處理工作。PCL6045B與ARM的通信是靠讀寫I／O總線上的幾個地址來進行指令和數據的傳輸?？刂葡到y硬件結構框圖如圖2所示。

1．3 ARM處理器與運動控制芯片的連接
??? 通過設置引腳IF0與IF1，PCL6045B芯片與不同的CPU相連，如表1所列。

??? 本系統設置IF1：IF0=0：1，CPU連接如圖3所示。
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2 嵌入式運動控制器的軟件設計
??? 本系統可根據被控對象的特征設計不同的模塊化用戶軟件，來滿足不同的運動控制任務。模塊化軟件恰好是Linux操作系統的優點。Linux還可以根據用戶的需求實現內核的裁減和定制，源碼開放，網絡支持功能強大，價格上也更具有競爭優勢等。所以該控制器選用Linux作為片上系統(SoC)。但是，Linux并不是一個實時操作系統，因此，通過實時內核補丁RTAI(Real Time Application In-terface)，在硬件平臺的基礎上增加一個實時內核，將Linux內核當作它的優先級最低的任務執行，從而保證運動控制系統的實時性。系統的控制軟件分為兩個區域：非實時域和實時域。非實時域是建立在普通Linux內核基礎上的，其主要包括系統初始化和通信模塊。
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??? ①系統初始化：進行微處理器的硬件初始化，包括輸入／輸出接口的配置、具體總線通信方式的配置以及伺服系統相關的接口參數配置。
??? ②通信模塊：負責運動控制卡和上位機之間的坐標值、速度值、數控系統的I／O接口狀態、報警狀態以及數據鏈表的傳輸。
??? 實時域建立在RTAI實時內核的基礎上。其實時任務通過實時進程的方式來完成，一種為周期性(peri_odic)實時進程，另一種為一次性(one shot)實時進程。實時域主要包括如下4個周期性實時線程：
??? ①狀態檢測線程(rt_monitor_thread)。本任務對設備運行狀態進行檢測，負責從I／O端口讀入各個連接的I／O設備值，然后將狀態寫入狀態檢測緩沖區中，對設備急停、伺服報警、限位信號進行判斷，并進行相應的處理。
??? ②插補線程(rt_interpolation_thread)。從譯碼緩沖區中順序取得插補數據，然后根據是直線或者圓弧進行插補，插補得到下個周期應該到達的理論坐標值。
??? ③位置控制線程(rt_position_thread)。讀取計數器中編碼器的數值，得到實際的位置，并與插補器中的理論位置坐標作比較。根據差值調節PID參數，并將具體脈沖輸出數寫入對應的PWM口的脈沖數寄存器中。
??? ④功能控制線程(rt_function_thread)。功能控制任務利用RTAI實時管道來傳遞命令和狀態信息的功能。通過管道的命令設置實現Linux操作系統對實時部分RTAI的訪問，從而實現運動控制器的運行、暫停、給定速度等狀態設置。
2．1 軟件平臺的建立
??? 軟件平臺是系統應用程序開發的基礎。本系統軟件平臺主要包括：ARM-Linux的移植、串行接口驅動開發、USB接口驅動開發、LCD接口驅動開發、觸摸屏接口驅動開發、以太網接口驅動開發、文件系統的移植等。這些軟件的開發和移植在很多文獻中有詳細的說明。
2．2 運動控制函數庫的設計
??? 通用運動控制器的功能主要取決于運動控制函數庫。要做成一個開放式的運動控制器，必須編寫豐富的運動控制函數庫，以滿足不同的應用要求。運動控制函數庫要為單軸及多軸的步進或伺服控制提供許多運動函數，如單軸驅動、兩軸直線插補、3軸直線插補、圓弧插補等等。另外，為了配合運動控制系統的開發，還編寫了一些輔助函數，如中斷處理、編碼器反饋、間隙補償、通用開關量的輸入輸出等。這樣，用戶在開發應用程序時就不必再關心底層的東西，只需根據控制系統的要求編制人機界面，并調用運動控制函數庫中的函數，就可以開發出滿足要求的多軸運動控制系統。
2．3 對Ljnux進行實時化改造
??? 由于Linux不是一個實時操作系統，所以，利用實時內核補丁RTAI(Real Time Application Interface)。RTAI的安裝和使用詳見參考文獻[7]。該控制器所使用的Linux開發環境為ELDK(Embedded Linux DevelopedKit)3．0。Linux內核為Linuxp pc_2_4_devel，而RTAI的版本為24．1．12。由Linux中的init_module()和cleanup_modtde()兩個函數加載和卸載實時任務模塊，通過這兩個函數進行實時線程及其處理函數的創建和回收。其關鍵程序如下：

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2．4 應用軟件設計
??? 應用軟件主要包括人機交互界面的設計、數控指令的編譯解釋、按鍵功能的實現、運動狀態的監視等。通過操作系統ARM-Linux，可方便地實現上述功能，并進行多任務的調度。運動控制器根據輸入的數控指令文件，將其存入NAND Flash中。ARM處理器通過對數控指令進行譯碼、速度預處理、粗插補計算等，調用運動控制函數，進而發出控制指令控制步進或伺服系統去控制執行部件進行動作，從而達到實現運動控制的目的。

結 語
??? 本文綜合應用ARM嵌入式系統技術、DSP運動控制技術等多種技術開發出高性能的嵌入式運動控制器。該控制器相比傳統的基于PC機的運動控制器，具有成本低、體積小、功耗低、功能豐富、運行穩定的特點和優勢。以ARM微控器和PCL6045B為核心的嵌入式運動控制器，采用Linux操作系統，經過對其進行實時化改造，使系統能很好地進行多任務處理，保證了系統的實時性。該控制器能夠實現高速和高精度的運動控制需求，具有良好的運動控制性能。該運動控制器的設計，為讀者提供了一種良好的解決方案，在運動控制領域具有廣闊的應用前景。