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(tǒng)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(huán)控制方式。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補功能，也沒有前饋功能，特別是對于大量的小線段連續(xù)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(huán)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(jié)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(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(xiàn)ARM主控板與運動控制板之間數(shù)據(jù)的實時雙向傳送；外部NAND Flash存儲器(64 MB)，用于存儲系統(tǒng)參數(shù)及運動指令；NOR Flash存儲器(2 MB)，用于存放系統(tǒng)運行程序；SDRAM存儲器(64 MB)，用于存放臨時數(shù)據(jù)；通過串口、以太網接口、USB接口與上位機系統(tǒng)通信，實現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的傳送；通過LCD接口，實現(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，提供友好的人機交互界面；通過I／O擴展接口，提供可編程的數(shù)字I／O通道；通過JTAG接口與PC機通信，實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)即可，其多軸插補控制功能特別優(yōu)秀。系統(tǒng)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(shù)據(jù)的傳輸?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可根據(jù)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(tǒng)的優(yōu)點。Linux還可以根據(jù)用戶的需求實現(xiàn)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(yōu)勢等。所以該控制器選用Linux作為片上系統(tǒng)(SoC)。但是，Linux并不是一個實時操作系統(tǒng)，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(yōu)先級最低的任務執(zhí)行，從而保證運動控制系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的控制軟件分為兩個區(qū)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(tǒng)初始化和通信模塊。
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??? ①系統(tǒng)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(tǒng)相關的接口參數(shù)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(shù)控系統(tǒng)的I／O接口狀態(tài)、報警狀態(tài)以及數(shù)據(jù)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(tài)檢測線程(rt_monitor_thread)。本任務對設備運行狀態(tài)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(tài)寫入狀態(tài)檢測緩沖區(qū)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(qū)中順序取得插補數(shù)據(jù)，然后根據(jù)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(shù)器中編碼器的數(shù)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(jù)差值調節(jié)PID參數(shù)，并將具體脈沖輸出數(shù)寫入對應的PWM口的脈沖數(shù)寄存器中。
??? ④功能控制線程(rt_function_thread)。功能控制任務利用RTAI實時管道來傳遞命令和狀態(tài)信息的功能。通過管道的命令設置實現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)對實時部分RTAI的訪問，從而實現(xiàn)運動控制器的運行、暫停、給定速度等狀態(tài)設置。
2．1 軟件平臺的建立
??? 軟件平臺是系統(tǒng)應用程序開發(fā)的基礎。本系統(tǒng)軟件平臺主要包括：ARM-Linux的移植、串行接口驅動開發(fā)、USB接口驅動開發(fā)、LCD接口驅動開發(fā)、觸摸屏接口驅動開發(fā)、以太網接口驅動開發(fā)、文件系統(tǒng)的移植等。這些軟件的開發(fā)和移植在很多文獻中有詳細的說明。
2．2 運動控制函數(shù)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(shù)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(shù)庫，以滿足不同的應用要求。運動控制函數(shù)庫要為單軸及多軸的步進或伺服控制提供許多運動函數(shù)，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(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、間隙補償、通用開關量的輸入輸出等。這樣，用戶在開發(fā)應用程序時就不必再關心底層的東西，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機界面，并調用運動控制函數(shù)庫中的函數(shù)，就可以開發(fā)出滿足要求的多軸運動控制系統(tǒng)。
2．3 對Ljnux進行實時化改造
??? 由于Linux不是一個實時操作系統(tǒng)，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(fā)環(huán)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(shù)加載和卸載實時任務模塊，通過這兩個函數(shù)進行實時線程及其處理函數(shù)的創(chuàng)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(shù)控指令的編譯解釋、按鍵功能的實現(xiàn)、運動狀態(tài)的監(jiān)視等。通過操作系統(tǒng)ARM-Linux，可方便地實現(xiàn)上述功能，并進行多任務的調度。運動控制器根據(jù)輸入的數(shù)控指令文件，將其存入NAND Flash中。ARM處理器通過對數(shù)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(shù)，進而發(fā)出控制指令控制步進或伺服系統(tǒng)去控制執(zhí)行部件進行動作，從而達到實現(xiàn)運動控制的目的。

結 語
??? 本文綜合應用ARM嵌入式系統(tǒng)技術、DSP運動控制技術等多種技術開發(fā)出高性能的嵌入式運動控制器。該控制器相比傳統(tǒng)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(wěn)定的特點和優(yōu)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(tǒng)，經過對其進行實時化改造，使系統(tǒng)能很好地進行多任務處理，保證了系統(tǒng)的實時性。該控制器能夠實現(xiàn)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。