基于網(wǎng)絡化技術的電機控制系統(tǒng)設計

摘要：設計了基于網(wǎng)絡化技術的電機控制與測量系統(tǒng)方案。給出系統(tǒng)硬件組成，實現(xiàn)6路PWM控制通道，5路電機速度檢測通道，并通過SPl接口與NETCON控制器完成通信。解決了對電機控制系統(tǒng)多路電機中任一路電機的轉(zhuǎn)速與相位的實時監(jiān)控，實現(xiàn)了單片機與ARM系列處理器之間的通信。此電機控制系統(tǒng)與嵌入式網(wǎng)絡化控制器組合于一體能夠完成對水箱、數(shù)控機床、機械手等模型的控制。
關鍵詞：網(wǎng)絡；電機；ATlmegal28；SPI

    將先進的計算技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用以及與Intemet技術相結(jié)合己經(jīng)成為未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。這里以A19lRM9200微處理器為CPU，ATmegal28系列單片機，8 MB的Flash和32 MB的SDRAM存儲器，擴展了以太網(wǎng)接口、串行接口等外圍通信設備以及輸入輸出接口，根據(jù)處理器和其他接口芯片的要求設計了外圍硬件電路及軟件。實現(xiàn)了用電機控制系統(tǒng)實時監(jiān)控多路電機的狀態(tài)，并且可以控制任一路電機的轉(zhuǎn)速與相位，解決了單片機與ARM系列處理器之間的通信。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 主機硬件系統(tǒng)結(jié)構
    主機硬件系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

    1)電源電路  AT9lRM9200需要1．8 V和3．3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3．3 V電源，小部分外圍器件還需要5 V電源。此處選用了Sipex公司生產(chǎn)的SPXlll7M3-3．3型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器和SPXlll7M3-1．8型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器進行DC-DC變換后為各個器件提供工作電壓。
    2)晶振電路  如圖2所示，晶體振蕩電路用于向AT91RM9200和其他需要時鐘的外設電路提供工作時鐘。本系統(tǒng)使用無源晶體振蕩器X1(18. 432 MHz)和X2(32．768 kHz)作為系統(tǒng)的主振蕩器和慢時鐘振蕩器，其中32．768 kHz晶振為系統(tǒng)提供慢時鐘，18 MHz晶振通過倍頻為系統(tǒng)提供180 MHz的主機時鐘。

    3)AT91RM9200處理器  ATglRM9200是Atmel公司基于ARM920T核的高性能、低功耗16／32位RISC微處理器，其最高主頻為180 MHz，其雙向、32位外部數(shù)據(jù)總線支持8、16、32位數(shù)據(jù)寬度，26位地址總線可以對最大64 MB空間尋址。是系統(tǒng)的工作和控制中心。
    4)存儲器  存儲器模塊包括Flash存儲器和SRAM存儲器2部分。Flash存儲器用于存放引導程序、嵌入式操作系統(tǒng)、用戶應用程序及重要的數(shù)據(jù)等，即使掉電程序和數(shù)據(jù)都不會丟失。設計中采用Intel公司生產(chǎn)的28F640J3A，其存儲容量為64 Mb(8 MB)，工作電壓為2．7～3．6 V，采用48引腳TSOP封裝，16位數(shù)據(jù)寬度。[!--empirenews.page--]
    SDRAM存儲器是系統(tǒng)代碼的運行場所，存放系統(tǒng)運行時的程序和數(shù)據(jù)，但掉電后該部分程序和數(shù)據(jù)會丟失。設計中使用2片數(shù)據(jù)寬度為16位的SDRAM并行運行作為1個32位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM模塊，如圖3所示。

    使用的SDRAM電路為Hynix公司的HY57V651620BTC，其工作電壓為3．3 V，單片存儲容量為4組x16 Mb，54引腳TSOP封裝，兼容LVTTL電平接口，支持自動刷新和自刷新。
    5)網(wǎng)絡端口  采用DAVICOM公司的DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。通過這個接口可以控制和配置很多物理層設備，得到狀態(tài)和錯誤信息，并且確定PHY設備的工作方式和功能。將DM9161的REF_CLK端接至50 MHz晶振的輸出端；DM9161的TXD1，TXD2，TXEN，RXD1，BXD2端接至
AT9lRM9200的ETXO，ETXI，ETXEN，ERXO，ERXI；DM9161的EXESEN，COL，PWRDWN端分別通過10 kΩ電阻接高電平，BGRESG，BGRES之間接6．8 kΩ電阻；將DM9161的RXEXDV，RXER，RESET，MDC，MDIO端接至AT9lRM9200的ECRS，ERXER，NRST，EMDIO均連接發(fā)光二極管，DM9161的TX+，TX-，RX+，EMDC，F(xiàn)DX，SPEED，LINKRX連接網(wǎng)絡隔離變壓器。
    6)串行接口  用于AT9lRM9200系統(tǒng)短距離雙向串行通信。使用的電平轉(zhuǎn)換電路為Sipex公司雙產(chǎn)的SP3232E。本系統(tǒng)包含1個UART接口，它是兩線調(diào)試串口，用來連接到超級終端觀察AT91RM9200的啟動，完成與PC的通信調(diào)試。其原理圖如圖4所示。

1．2 從機硬件設計
    1)ATmega128單片機  ATMEL公司的AVR單片機是增強型RISC內(nèi)載Flash的單片機，128 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(在寫入過程中還具有讀取能力，即RWW)、4 K字節(jié)的EEPROM、4 K字節(jié)的SRAM、53個通用I／O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數(shù)器(T／C)、2個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEEll49．1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。
    2)系統(tǒng)控制和復位  復位時所有的I／O寄存器都被設置為初始值，程序從復位向量處開始執(zhí)行。復位向量處的指令必須是絕對跳轉(zhuǎn)JMP指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復位處理例程。如果程序永遠不會使能中斷，則中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。

    圖5為復位邏輯的電路圖。復位源生效時I／O端口立即復位為初始值，不需要任何時鐘的輔助。當所有的復位信號消失之后，延遲計數(shù)器被激活，從而延長了內(nèi)部復位，并使得在MCU正常工作之前電源達到穩(wěn)定的電平。延遲計數(shù)器的溢出時間通過熔絲位CKSEL由用戶設定。[!--empirenews.page--]
    3)I／O端口  作為通用數(shù)字I／O使用時，所有AVRI／O端口都具有真正的讀-修改-寫功能。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅(qū)動LED。
    4)SPI串行外設接口  串行外設接口SPI允許ATmegal28和外設之間進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。主機和從機之間的SPI連接如圖6所示。

    5)16位定時器／計時器  16位的T／C可以實現(xiàn)精確的程序定時、波形產(chǎn)生和信號測量。T／Cl、T／C3的普通模式、CTC模式、快速PWM模式、相位修正PWM模式與T／C0、T／C2相同。

2 系統(tǒng)軟件設計
    嵌入式電機控制系統(tǒng)在軟件設計上分為主機軟件設計與從機軟件設計。主機軟件設計主要分為主機的SPI驅(qū)動程序和主機通信程序。
    從程序結(jié)構角度而言，設備驅(qū)動程序是一組由內(nèi)核中的相關子例程和數(shù)據(jù)組成的I／O設備軟件接口，它的任務就是向系統(tǒng)提供接口函數(shù)。因此每種文件系統(tǒng)或設備都有自己的接口函數(shù)，這個函數(shù)就是一個fileoperations數(shù)據(jù)結(jié)構，結(jié)構中的成份幾乎全是函數(shù)指針。當內(nèi)核需要對某個設備進行特殊的操作時，它就調(diào)用相應的接口函數(shù)即驅(qū)動例程。這就使得控制從用戶進程轉(zhuǎn)移到了驅(qū)動例程，當驅(qū)動例程完成控制又返回至用戶進程。用戶態(tài)的程序使用內(nèi)核提供的標準系統(tǒng)調(diào)用來與內(nèi)核通訊，當每個系統(tǒng)調(diào)用被使用時，內(nèi)核就轉(zhuǎn)到相應的設備驅(qū)動例程來操縱。
    調(diào)用基本接口函數(shù)都需要驅(qū)動程序的fileoperations結(jié)構成員指向open()，read()，write()，release()等函數(shù)，實現(xiàn)了xxx_fops結(jié)構體內(nèi)的各個入口點函數(shù)后，編寫設備驅(qū)動程序初始化函數(shù)，并在內(nèi)核啟動時注冊此函數(shù)，完成硬件設備的初始化設置。初始化程序片斷如下：
    voidinitexxxdevice(viod){
    ／檢查硬件設備是否存在，如果存在進行硬件設備內(nèi)部寄存器初始化
    if(result=registerchrdev(254，"xxxdevice"，&xxxefops))
    printk("Error：％dinitxxx_device()can'tgetMajorln"，result)；
    }
    設備初始化函數(shù)中調(diào)用函數(shù)registerchrdev()來完成注冊字符，函數(shù)形式如下：
    intregisterchrdev(unsignedintmajor，constchar*name，structfileoperations*fop)；
    fops是指向?qū)崿F(xiàn)的fileoperations結(jié)構體的操作指針。根據(jù)這些參數(shù)，采用如下命令，在／dev下創(chuàng)建該設備文件名。
    mknod／dev／xxxdevicec2540。
    主機通信程序流程如圖7所示。MEGAl28從機程序的流程圖如圖8所示。

3 結(jié)束語
    該系統(tǒng)設計是對嵌入式技術與理論的拓展和應用，是對NETCON網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的升級與改進，實現(xiàn)了對電機控制系統(tǒng)實時監(jiān)控多路電機的狀態(tài)，并且可以控制任一路電機的轉(zhuǎn)速與相位。實現(xiàn)了單片機與ARM系列處理器之間的通信，解決了利用ARM處理器實現(xiàn)電機控制CPU工作效率低的問題。該方案經(jīng)過測試應用效果良好，大大提高了CPU的工作效率。但電機的測速精度還有待進一步提高，PWM調(diào)速范圍有待進一步加大，還需進一步優(yōu)化程序，提高整個系統(tǒng)的實時性。