基于ARM設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的方案

本文介紹了基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)以ARM9為核心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，下位機(jī)以ARM7為核心，結(jié)合FpGA實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，上下住機(jī)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)通常是在通用計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的基礎(chǔ)上加裝運(yùn)動(dòng)控制卡，使用Windows操作系統(tǒng)，并安裝昂貴的數(shù)控軟件構(gòu)成的。此類系統(tǒng)成本高，功耗大，不太適合中小規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)合。而嵌入式產(chǎn)品具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、功耗低等特點(diǎn)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的不足。如今，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員和片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地選擇特定的處理器內(nèi)核和配套的工具、庫(kù)及現(xiàn)成的組件來(lái)快速開(kāi)發(fā)基于微處理器的新產(chǎn)品。ARM在這一方面表現(xiàn)尤為突出。在過(guò)去的10年中，ARM體系結(jié)構(gòu)已成為世界上最受歡迎的32位體系結(jié)構(gòu)，在本書(shū)完成時(shí)，基于ARM的處理器已發(fā)售了超過(guò)20億片。ARM處理器已被嵌入到各種產(chǎn)品——從移動(dòng)電話到汽車剎車系統(tǒng)。全球的ARM合作伙伴和第三方供應(yīng)商，在半導(dǎo)體和產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司中迅速發(fā)展壯大，包括硬件工程師、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和軟件開(kāi)發(fā)人員。但至今還沒(méi)有一本書(shū)能夠較好地滿足基于ARM的嵌入式系統(tǒng)及軟件開(kāi)發(fā)的需要。數(shù)控技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)的核心技術(shù)，是發(fā)展高尖端技術(shù)和高新產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。數(shù)控機(jī)床被視為戰(zhàn)略物質(zhì)和戰(zhàn)備性工業(yè)備受高度重視。嵌入式技術(shù)的發(fā)展是近年來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用到生活的各個(gè)方面。目前，嵌入式技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始廣泛的進(jìn)軍工業(yè)控制領(lǐng)域。將嵌入式技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上面，對(duì)新型的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和應(yīng)用，可以與國(guó)外處于同一起跑線。對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的推動(dòng)意義。本文提出了基于工業(yè)級(jí)ARM微處理器S3C2440和DSP專用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As，設(shè)計(jì)一種四軸三聯(lián)動(dòng)的開(kāi)放式經(jīng)濟(jì)性數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)不僅具有成本低、加工精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且具有很好的可移植性和裁剪性，是對(duì)新一代開(kāi)放式經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的探索和研究。嵌入式數(shù)控技術(shù)在數(shù)控領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用前景，對(duì)我國(guó)制造業(yè)整體水平的提高有積極的推動(dòng)作用。目前，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)主要有兩種形式：完全依靠嵌人式處理器控制的系統(tǒng)以及嵌入式處理器和運(yùn)動(dòng)控制芯片相結(jié)合的系統(tǒng)。與前者相比，后者南于采用了專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制芯片，在實(shí)時(shí)性和精度等方面的表現(xiàn)更好，因而成為未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。本文介紹了一種基于ARM控制器和FPGA運(yùn)動(dòng)控制芯片的主從式數(shù)控系統(tǒng)，希望能為AR M在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一些參考。1 總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)。上位機(jī)以S3C2410 ARM9控制器為核心，移植Linux系統(tǒng)和QT／Embedded圖形庫(kù)，主要實(shí)現(xiàn)G代碼文件處理、加工位置的顯示、手動(dòng)控制等人機(jī)交互功能。下位機(jī)以$3C44B0 ARM7控制器為核心，斯邁迪的SM5004 FPGA芯片為運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、冷卻液開(kāi)關(guān)、緊急停止等機(jī)床控制功能。上下位機(jī)通過(guò)CAN總線通信。2 硬件設(shè)計(jì)2.1CAN接口設(shè)計(jì)由于S3C2410和S3C44B0不帶CAN接口，所以必須對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。S3C2410的CAN 擴(kuò)展接El如圖1所示，S3CA4B0的CAN接口與其相似。系統(tǒng)的CAN控制器使用MCP2510芯片。MCP2510的復(fù)位引腳RESET與$3C2410的復(fù)位引腳nRESET相連，片選引腳CS與S3C2410的GPH0相連。OSC1和OSC2引腳連接一個(gè)16M 的晶振作為時(shí)鐘源。SI、SO和SCK分別與S3C2410的SPI El MOSIO、MISO0和SPICLKO相連。如果SPI口被其它設(shè)備占用，也可用其它的I／O El代替，但要編寫(xiě)軟件算法來(lái)模擬SPI的讀寫(xiě)操作。系統(tǒng)采用中斷方式讀寫(xiě)MCP2510，因此它的INT引腳與S3C2410的外部中斷引腳EINT4相連。在外部中斷引腳資源比較緊張的情況下，也可使用查詢方式讀寫(xiě)MCP2510，此時(shí)INT可以懸空。系統(tǒng)的CAN 收發(fā)器使用TJA105O芯片，該芯片的TXD和RXD與MCP2510的TXCAN和RXCAN相連，Rs引腳連接的斜率電阻為1K。TJAlOS0輸出CANH、CANL差分信號(hào)，通過(guò)J1001插口接人物理線路。2.2輸入輸出接口設(shè)計(jì)S3C44B0 ARM 和SM5004 FPGA芯片提供了很多通用輸入輸出接口，為了有效的防止干擾進(jìn)入系統(tǒng)，這里采用了光耦隔離，如圖2所示。在低速開(kāi)關(guān)量中，由圖2（a）可以看出，這里采用貼片低速光耦MOCD217一M。它是Motorola公司的產(chǎn)品，是具有低輸入電流的雙路光耦。之所以這里在接人輸入口之前加入電阻R3，是因?yàn)锳RM 中的部分I／0 口是開(kāi)漏式的，防止在輸入輸出過(guò)程中電流過(guò)大，將相應(yīng)口燒壞。如圖2（b）在高速開(kāi)關(guān)量中，采用HC—PL0661雙路光耦進(jìn)行擴(kuò)展，它是Agilent Technologies公司的產(chǎn)品，其開(kāi)關(guān)速率可達(dá)到1O M左右，可應(yīng)用于各種高速脈沖輸入輸出的場(chǎng)合。3 軟件設(shè)計(jì)31人機(jī)交互與G代碼解釋人機(jī)交互界面如圖3所示。陔界面是用QT／Embedded嵌人式罔形庫(kù)設(shè)計(jì)的。QTEmbedded 是由-rroll—tech公司的嵌入式GUI開(kāi)發(fā)T具，控件豐富，并且支持虛擬幀緩沖。通過(guò)該界面可以實(shí)現(xiàn)編輯G代碼，語(yǔ)法檢查、預(yù)覽加1 軌跡、與下位機(jī)通信等功能。G代碼解釋的原理如同4所示。程序中定義了兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PreGCode和GCode分別用來(lái)保存語(yǔ)法檢查后的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)分析后生成的G代碼類型、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧半徑等數(shù)據(jù)，供仿真和加工使用。3.2CAN通信本系統(tǒng)使用CAN控制器MCP2510完成CAN總線幀的發(fā)送和接收任務(wù)。通信數(shù)據(jù)分為命令幀和數(shù)據(jù)幀兩種。通信協(xié)議利用了CAN總線的29位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符保存了一些協(xié)議中必要的信息，如表1所示。由于CAN支持多主機(jī)和多從機(jī)模式，所以為源設(shè)備和目的設(shè)備地址分配了ID，以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的來(lái)源和目的地。數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)量較大，必須分批傳送，所以標(biāo)識(shí)符里還包含了數(shù)據(jù)包分組號(hào)，用來(lái)排序。系統(tǒng)使用中斷模式傳輸數(shù)據(jù)，共開(kāi)啟4項(xiàng)中斷，分別為錯(cuò)誤消極中斷、錯(cuò)誤報(bào)警中斷以及發(fā)送中斷和接收中斷。如果為前兩種中斷，程序?qū)?fù)位MCP2510芯片。如果為發(fā)送中斷，則表示發(fā)送完畢，程序?qū)⒅梦话l(fā)送中斷標(biāo)志位以通知主程序。如果為接收中斷，程序?qū)z查標(biāo)識(shí)符的ID28一ID21，判斷該幀的類型，然后根據(jù)幀的類型分別進(jìn)行處理。3.3插補(bǔ)算法SM5004芯片是斯邁迪公司的一款高性能運(yùn)動(dòng)控制FPGA芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)4軸聯(lián)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率高達(dá)5MPPS，插補(bǔ)精度高達(dá)0.5I SB，單次輸出脈沖數(shù)高達(dá)2G，支持4種插補(bǔ)模式：直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)和位模式插補(bǔ)。對(duì)于直線和圓弧，SM5004有自己的插補(bǔ)算法，只要提供終點(diǎn)坐標(biāo)、速度等插補(bǔ)所需的參數(shù)，SM5004就能自動(dòng)完成插補(bǔ)。位模式插補(bǔ)是把高位CPU計(jì)算的插補(bǔ)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的方式接收后，以指定的驅(qū)動(dòng)速度連續(xù)輸出插補(bǔ)脈沖。位模式插補(bǔ)的原理是在每個(gè)寄存器上2軸或3軸的+／一方向驅(qū)動(dòng)脈沖設(shè)定為1位1脈沖，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)設(shè)定為1，不輸出脈沖時(shí)設(shè)定為0。位模式插補(bǔ)提供了一種靈活的插補(bǔ)機(jī)制，用戶可以自己編寫(xiě)直線、圓弧、樣條曲線、函數(shù)曲線等各種曲線的插補(bǔ)算法。程序使用數(shù)字積分的方法實(shí)現(xiàn)了直線和二次曲線的插補(bǔ)。數(shù)字積分插補(bǔ)（又稱DDA插補(bǔ)）的原理如圖5所示。通過(guò)將積分區(qū)間[a，b]分割成足夠小的區(qū)間△f，將函數(shù)y=f（t）的積分運(yùn)算變?yōu)樽兞康那蠛瓦\(yùn)算，即數(shù)字運(yùn)算時(shí)，At一般取最小單位“1”，即一個(gè)脈沖當(dāng)量，則： 數(shù)字積分法插補(bǔ)器的關(guān)鍵部件是累加器和被積函數(shù)寄存器，每一個(gè)坐標(biāo)方向就需要一個(gè)累加器和一個(gè)被積函數(shù)寄存器。一般情況下，插補(bǔ)開(kāi)始前，累加器清零，被積函數(shù)寄存器分別寄存X和Y ；插補(bǔ)開(kāi)始后，每來(lái)一個(gè)累加脈沖△￡，被積函數(shù)寄存器里的內(nèi)容在相應(yīng)的累加器中相加一次，相加后的溢出作為驅(qū)動(dòng)相應(yīng)坐標(biāo)軸的進(jìn)給脈沖Ax（或Ay），而余數(shù)仍寄存在累加器中；當(dāng)脈沖源發(fā)出的累加脈沖數(shù)m恰好等于被積函數(shù)寄存器的容量2 時(shí)，溢出的脈沖數(shù)等于以脈沖當(dāng)量為最小單位的終點(diǎn)坐標(biāo)，刀具運(yùn)行到終點(diǎn)。數(shù)字積分法插補(bǔ)第1象限直線的程序流程圖如圖6所示，插補(bǔ)軌跡如圖7所示。4 結(jié)束語(yǔ)ARM是一家英國(guó)公司，它的文字含義是Advanced RISC Microprocessor（高級(jí)RISC微處理器）。ARM為客戶提供16/32位嵌入式RISC微控制器方案，將其RISC處理器授權(quán)給電子公司使用，在便攜式通訊，手持計(jì)算設(shè)備，消費(fèi)類和數(shù)字化多媒體方案中，ARM正有一種成為標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。ARM 結(jié)合FPGA 運(yùn)動(dòng)控制芯片的方式，既能發(fā)揮ARM 運(yùn)算速度快、硬件資源豐富的優(yōu)勢(shì)，又能利用FPGA出色的運(yùn)動(dòng)控制功能。相比與傳統(tǒng)的純ARM 控制的數(shù)控系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)性、控制精度等方面更具優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片和ARM處理器能的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能大大減輕研發(fā)任務(wù)，加快研發(fā)速度，能夠在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的數(shù)控系統(tǒng)。而經(jīng)過(guò)適當(dāng)“裁剪”的Linux系統(tǒng)加入，使得數(shù)控系統(tǒng)能更好的進(jìn)行多任務(wù)處理，極大的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

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