ARM與PCL6045B的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

引 言
??? 運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件。目前，國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器大致可以分為3類：

??? 第1類是以單片機(jī)等微處理器作為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器。這類運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢、精度不高、成本相對(duì)較低，只能在一些低速運(yùn)行和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場合應(yīng)用。

??? 第2類是以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，大多只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開環(huán)控制方式。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒有前饋功能，特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器。這類開放式運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插件形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣的運(yùn)動(dòng)控制器具有信息處理能力強(qiáng)，開放程度高，運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確，通用性好的特點(diǎn)。但是這種方式存在以下缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)控制卡需要插入計(jì)算機(jī)主板的PCI或者ISA插槽，因此每個(gè)具體應(yīng)用都必須配置一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)。這無疑對(duì)設(shè)備的體積、成本和運(yùn)行環(huán)境都有一定的限制，難以獨(dú)立運(yùn)行和小型化。

??? 針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM+DSP的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器將嵌入式CPU與專用運(yùn)動(dòng)控制芯片相結(jié)合，將運(yùn)動(dòng)控制功能以功能模塊的方式嵌入到ARM主控板的架構(gòu)，把不需要的設(shè)備裁減掉，既兼顧功能又節(jié)省成本。該控制器是一種可以脫離上位機(jī)單獨(dú)運(yùn)行的一種獨(dú)立型運(yùn)動(dòng)控制器，具有良好的應(yīng)用前景。

1 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
??? 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的硬件主要包括兩個(gè)部分：ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)，可以分別對(duì)ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制板進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再調(diào)試。這種將ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制板分開設(shè)計(jì)和調(diào)試的硬件方案，將設(shè)計(jì)難點(diǎn)分散，使設(shè)計(jì)和調(diào)試更簡單。
1．1 ARM主控板部分
??? 本系統(tǒng)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(dá)533 MHz。ARM主控板以嵌入式處理器S3C2440A為核心，外擴(kuò)存儲(chǔ)器和通用設(shè)備接口。ARM主控板的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

??? 通過通用I／O接口與DSP運(yùn)動(dòng)控制板通信，實(shí)現(xiàn)ARM主控板與運(yùn)動(dòng)控制板之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向傳送；外部NAND Flash存儲(chǔ)器(64 MB)，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)指令；NOR Flash存儲(chǔ)器(2 MB)，用于存放系統(tǒng)運(yùn)行程序；SDRAM存儲(chǔ)器(64 MB)，用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)；通過串口、以太網(wǎng)接口、USB接口與上位機(jī)系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的傳送；通過LCD接口，實(shí)現(xiàn)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(jī)交互界面；通過I／O擴(kuò)展接口，提供可編程的數(shù)字I／O通道；通過JTAG接口與PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行程序的仿真調(diào)試及下載，軟件升級(jí)接口。

1．2 DSP運(yùn)動(dòng)控制板部分
??? 本系統(tǒng)DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片選用PCL6045B。PCL6045B是一種功能十分強(qiáng)大的DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片。芯片能夠控制四軸，并實(shí)現(xiàn)兩軸到四軸直線差補(bǔ)、兩軸圓弧差補(bǔ)。所有插補(bǔ)計(jì)算由芯片完成，上位機(jī)只需寫入圓弧的參數(shù)即可，其多軸插補(bǔ)控制功能特別優(yōu)秀。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。主CPU為ARM處理器，負(fù)責(zé)鍵盤、顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等管理工作；從CPU為PCL6045B運(yùn)動(dòng)控制芯片，專門負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)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(gè)地址來進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．3 ARM處理器與運(yùn)動(dòng)控制芯片的連接
??? 通過設(shè)置引腳IF0與IF1，PCL6045B芯片與不同的CPU相連，如表1所列。

??? 本系統(tǒng)設(shè)置IF1：IF0=0：1，CPU連接如圖3所示。
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2 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)可根據(jù)被控對(duì)象的特征設(shè)計(jì)不同的模塊化用戶軟件，來滿足不同的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。模塊化軟件恰好是Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。Linux還可以根據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的裁減和定制，源碼開放，網(wǎng)絡(luò)支持功能強(qiáng)大，價(jià)格上也更具有競爭優(yōu)勢(shì)等。所以該控制器選用Linux作為片上系統(tǒng)(SoC)。但是，Linux并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此，通過實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁RTAI(Real Time Application In-terface)，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，將Linux內(nèi)核當(dāng)作它的優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)執(zhí)行，從而保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的控制軟件分為兩個(gè)區(qū)域：非實(shí)時(shí)域和實(shí)時(shí)域。非實(shí)時(shí)域是建立在普通Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上的，其主要包括系統(tǒng)初始化和通信模塊。
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??? ①系統(tǒng)初始化：進(jìn)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(tǒng)相關(guān)的接口參數(shù)配置。
??? ②通信模塊：負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)之間的坐標(biāo)值、速度值、數(shù)控系統(tǒng)的I／O接口狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)以及數(shù)據(jù)鏈表的傳輸。
??? 實(shí)時(shí)域建立在RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上。其實(shí)時(shí)任務(wù)通過實(shí)時(shí)進(jìn)程的方式來完成，一種為周期性(peri_odic)實(shí)時(shí)進(jìn)程，另一種為一次性(one shot)實(shí)時(shí)進(jìn)程。實(shí)時(shí)域主要包括如下4個(gè)周期性實(shí)時(shí)線程：
??? ①狀態(tài)檢測(cè)線程(rt_monitor_thread)。本任務(wù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，負(fù)責(zé)從I／O端口讀入各個(gè)連接的I／O設(shè)備值，然后將狀態(tài)寫入狀態(tài)檢測(cè)緩沖區(qū)中，對(duì)設(shè)備急停、伺服報(bào)警、限位信號(hào)進(jìn)行判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
??? ②插補(bǔ)線程(rt_interpolation_thread)。從譯碼緩沖區(qū)中順序取得插補(bǔ)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)是直線或者圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)得到下個(gè)周期應(yīng)該到達(dá)的理論坐標(biāo)值。
??? ③位置控制線程(rt_position_thread)。讀取計(jì)數(shù)器中編碼器的數(shù)值，得到實(shí)際的位置，并與插補(bǔ)器中的理論位置坐標(biāo)作比較。根據(jù)差值調(diào)節(jié)PID參數(shù)，并將具體脈沖輸出數(shù)寫入對(duì)應(yīng)的PWM口的脈沖數(shù)寄存器中。
??? ④功能控制線程(rt_function_thread)。功能控制任務(wù)利用RTAI實(shí)時(shí)管道來傳遞命令和狀態(tài)信息的功能。通過管道的命令設(shè)置實(shí)現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)部分RTAI的訪問，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行、暫停、給定速度等狀態(tài)設(shè)置。
2．1 軟件平臺(tái)的建立
??? 軟件平臺(tái)是系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要包括：ARM-Linux的移植、串行接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、USB接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、LCD接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、觸摸屏接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、文件系統(tǒng)的移植等。這些軟件的開發(fā)和移植在很多文獻(xiàn)中有詳細(xì)的說明。
2．2 運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫的設(shè)計(jì)
??? 通用運(yùn)動(dòng)控制器的功能主要取決于運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫。要做成一個(gè)開放式的運(yùn)動(dòng)控制器，必須編寫豐富的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫，以滿足不同的應(yīng)用要求。運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫要為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供許多運(yùn)動(dòng)函數(shù)，如單軸驅(qū)動(dòng)、兩軸直線插補(bǔ)、3軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等等。另外，為了配合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)，還編寫了一些輔助函數(shù)，如中斷處理、編碼器反饋、間隙補(bǔ)償、通用開關(guān)量的輸入輸出等。這樣，用戶在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)就不必再關(guān)心底層的東西，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面，并調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫中的函數(shù)，就可以開發(fā)出滿足要求的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
2．3 對(duì)Ljnux進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造
??? 由于Linux不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以，利用實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁RTAI(Real Time Application Interface)。RTAI的安裝和使用詳見參考文獻(xiàn)[7]。該控制器所使用的Linux開發(fā)環(huán)境為ELDK(Embedded Linux DevelopedKit)3．0。Linux內(nèi)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(gè)函數(shù)加載和卸載實(shí)時(shí)任務(wù)模塊，通過這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)線程及其處理函數(shù)的創(chuàng)建和回收。其關(guān)鍵程序如下：

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2．4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
??? 應(yīng)用軟件主要包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)、數(shù)控指令的編譯解釋、按鍵功能的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)視等。通過操作系統(tǒng)ARM-Linux，可方便地實(shí)現(xiàn)上述功能，并進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)輸入的數(shù)控指令文件，將其存入NAND Flash中。ARM處理器通過對(duì)數(shù)控指令進(jìn)行譯碼、速度預(yù)處理、粗插補(bǔ)計(jì)算等，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，進(jìn)而發(fā)出控制指令控制步進(jìn)或伺服系統(tǒng)去控制執(zhí)行部件進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的目的。

結(jié) 語
??? 本文綜合應(yīng)用ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、DSP運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等多種技術(shù)開發(fā)出高性能的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器相比傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器，具有成本低、體積小、功耗低、功能豐富、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。以ARM微控器和PCL6045B為核心的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，采用Linux操作系統(tǒng)，經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，使系統(tǒng)能很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高精度的運(yùn)動(dòng)控制需求，具有良好的運(yùn)動(dòng)控制性能。該運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，為讀者提供了一種良好的解決方案，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。