ARM+DSP的嵌入式四轴运动控制器设计 控制器, 嵌入式, 成本, 技术

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运动控制系统已被广泛应用于工业控制领域。近年来，工业控制对运动控制系统的要求越来越高。传统的基于PC及低端微控制器日渐暴露出高成本、高消耗、低可靠等问题，已经不能满足现代制造的要求 。随着嵌入式技术的日益成熟，嵌人式运动控制器已经初露锋芒。基于ARM技术的微处理器具有体积小、低成本、低功耗的特点，决定其在运动控制领域具有良好的发展前景。
PCL6045BL是一种新型专用DSP运动控制芯片，它具有强大的数据处理能力和较高的运行速度，可以实现高精度的多轴伺服控制。为解决精密制造对低成本、可移植性强的通用型多轴数控系统的迫切需求，文中给出一种基于ARM 微处理器S3C2440与DSP专业运动控制芯片PCL6045BL构成的嵌入式四轴运动控制器。该运动控制器具有高性能、低成本、体积小、可独立运行等特点，可以满足运动控制系统高速、高精度的 要求。它可广泛应用于雕刻机、机器人、绣花机以及数控加工等工业控制领域。

为解决精密制造对低成本、可移植性强的通用型多轴数控系统的迫切需求，给出一种基于ARM微处理器S3C2440和专用DSP运动控制芯片PCL65045BL组合的嵌入式四轴运动控制器。硬件上该控制器采用ARM+DSP的主从式双CPU结构，结合ARM在人机界面显示、通信接口方面的优势以及PCL6045BL高控制精度的优点。软件上在S3C2440上移植μC/OS-II实时操作系统来管理运动控制系统。该控制系统通用性较强，可广泛应用于雕刻机、机器人、绣花机以及数 控加工等工业控制领域。

1 系统总体设计

嵌入式四轴运动控制器主要由硬件部分和软件部分构成。

硬件主要包括S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL运动控制板两个部分。S3C2440嵌入式主控板和PCL6045BL运动控制板之间通过通用的IDE通信接口进行连接。

软件方面在硬件平台的基础上移植S3C2440实时嵌入式操作系统，设计Boot Loader、外设驱动以及运动控制系统的应用程序。采用上述的软硬件平台，嵌入式运动控制器可以达到开放性能好、精度高的要求。本嵌入式四轴运动控制器的结构如图1所示。



图1 嵌入式四轴运动控制器的构成



ARM具有丰富的片内外围电路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器等，在人机界面的显示、通信接口以及系统移植方面具有更强大的功能。PCL6045BL运动控制芯片速度快，可靠性高，性能好，在运动控制方面有很大的优势。

实时操作系统μC/OS-II包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步和内存管理等功能，可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误地执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化 。将S3C2440处理器、PCL6045BL 以及μC/OS-II三者的优势应用到本嵌入式四轴运动控制器中可以使其具有强大的功能，并缩短开发时间。

本嵌入式四轴运动控制器以S3C2440为主控平台，在ARM上移植μC/OS-II实时操作系统来进行人机界面的显示、I/O的管理、任务问的通信、指令的编译等工作。PCL6045BL运动控制模块主要负责位置控制，插补驱动，速度控制。用户的指令通过S3C2440指令编译系统的编译，通过与PCL6045BL之问的专用通信接口来控制DSP运动控制芯片发出脉冲以达到使伺服电机高速运行。3．4 NC代码解释

运动控制器接受来自上位机发送过来的加工文件，但加工文件指令在程序中不能直接被识别，在执行指令之前必须先对其进行解析译码。解释器的主要功能就是将用户程序以程序段为处理单位，将程序中的轮廓信息、运行速度和辅助功能信息，转换成嵌入式运动控制器能够执行的格式。解释过程主要包括数控文件的读入、词法分析、语法分析以及加工信息存储数据结构等过程，如图6所示。




图6 程序处理流程



4 实例分析

上位机通过RS485总线与S3C2440连接，把NC指令文件输入到ARM 中，经过NC代码解释器，变成PCL6045BL能够识别的代码，从而完成规定的运动控制功能。用NC代码编写如下加工程序：

N001 COO X15 Y25//起始点选定

N002 G18//XY平面选择

N003 G90 G01 X15 Y5//准备直线插补

N004 X30 Y5//(15，5)到(30，5)

N005 X30 Y15//前行至点(30，15)

N006 X45 Y15//前行至点(45，15)

N007 X45 Y5//前行至点(45，5)

N008 X60 Y5//前行至点(60，5)

N009 X60 Y25//前行至点(60，25)

N010 X15 Y25／／回到始点(15，25)

根据上面所给的代码可以完成如图7所示的多点之间直线插补的功能。



图7 多线段直线插补运动轨迹



5 结语

该运动控制器的硬件结构是基于微处理器S3C2440和PCL6045BL运动控制芯片设计的，它较好地发挥了ARM处理器的高性能、低成本和运动控制芯片的高可靠性、开发周期短的优点；在控制器硬件平台上移植μC/OS-II实时操作系统既能使整个软件系统结构简结、层次清晰，又能很好地达到运动控制实时性的要求。