現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)發(fā)展到了以專用芯片(ASIC)或FPGA作為核心處理部件的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。這樣的解決方案突出的特點(diǎn)，是讓運(yùn)動(dòng)控制的處理部分以獨(dú)立的、硬件性方式展開，增加系統(tǒng)的性能和可靠性,從而有效地解決了以單純的MCU或DSP系統(tǒng)的處理帶寬限制，以及用戶系統(tǒng)軟件和運(yùn)動(dòng)控制軟件混雜性的問題。

      業(yè)界也早已出現(xiàn)了各種類型的運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，雖然有較高的功能、性能，但一般都比較復(fù)雜，使得客戶應(yīng)用起來非常困難。

      用戶們常常需要一種容易使用的運(yùn)動(dòng)控制芯片與通用MCU/CPU結(jié)合起來的系統(tǒng)方案，用以面向更一般性的或中低端的應(yīng)用場(chǎng)合。這樣的方案里，運(yùn)動(dòng)控制芯片部分可以擔(dān)當(dāng)關(guān)鍵的馬達(dá)控制信號(hào)發(fā)生功能，又可以擁有較高的性能和其他的系統(tǒng)性接口資源(若是利用8253/8254之類的計(jì)數(shù)器，就顯得捉襟見肘，計(jì)數(shù)長(zhǎng)度太短，且沒有其他資源）；而在MCU/CPU部分可以通過一些簡(jiǎn)單的控制指令完成對(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的控制，更多的資源用來處理系統(tǒng)界面或應(yīng)用軟件。

      簡(jiǎn)單而言，就是需要一個(gè)方案有效地協(xié)調(diào)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件的分工，軟件部分方便客戶開發(fā)，硬件部分確保系統(tǒng)性能。

      深圳市斯邁迪科技發(fā)展有限公司(Smarteer)推出的SM1000系列SOPC運(yùn)動(dòng)控制芯片就是上述需求的解決方案。它是在高性能系列運(yùn)動(dòng)控制FPGA/芯片—SM5000方案后，經(jīng)過不斷的技術(shù)積累和市場(chǎng)調(diào)查后，特地為中低端市場(chǎng)應(yīng)用推出的。

      SM1000是一個(gè)簡(jiǎn)易的運(yùn)動(dòng)控制芯片系列，它提供長(zhǎng)達(dá)32位的可編程計(jì)數(shù)和脈沖發(fā)生的功能，脈沖頻率可以高達(dá)10M赫茲以上，同時(shí)在芯片內(nèi)部增加了許多系統(tǒng)性的資源，比如：內(nèi)置3-8譯碼器、地址鎖存器、矩陣鍵盤掃描接口和通用I/O等。由于芯片是SOPC技術(shù)方案，因此還可以根據(jù)客戶的具體需求做定向化的設(shè)計(jì)。

      SM1000簡(jiǎn)易而又方便于客戶應(yīng)用，它面向更廣泛、更一般的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域。利用它結(jié)合MCU/CPU可以便捷地組建成一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，尤其是一些嵌入式、系統(tǒng)集成的應(yīng)用系統(tǒng)。

      SM1000非常適合于獨(dú)立多軸的馬達(dá)控制場(chǎng)合，同時(shí)結(jié)合控制軟件也可以非常靈活地實(shí)現(xiàn)常見的加減速運(yùn)動(dòng)控制，甚至多軸聯(lián)動(dòng)控制。

以下是SM1000系列芯片技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用介紹。

一、SM1000芯片方案的技術(shù)指標(biāo)

⑴ 輸入時(shí)鐘CLK頻率最高到78MHz；

⑵ 1-4路32位計(jì)數(shù)器，可達(dá)計(jì)數(shù)范圍為：1~ 2,147,483,6?7；

⑶ 1-4路32位直接脈沖分頻器，可設(shè)置頻率系數(shù)范圍為：1~ 2,147,483,6?7；

⑷ 1-4路正/反向脈沖輸出，可接成差分輸出；

⑸ 1-4路正/反向脈沖輸出有效指示，可接成差分輸出；

⑹ 最高輸出脈沖頻率為：CLK/6?(SM1001不同)；

⑺ 其他功能：

a) 內(nèi)置3-8譯碼器，輸出7個(gè)附加片選信號(hào)；

b) 8通用輸入+8通用輸出；

c) 可接8x8矩陣鍵盤，直接讀取按鍵編碼/有效值；

d) 8位數(shù)據(jù)接口(內(nèi)置地址鎖存，可以直接接MCS51 CPU)。

二、SM1000系列規(guī)格

三、SM1000功能框圖

1. 復(fù)位

2. 鎖存

3. 總線

4. 2-4路計(jì)數(shù)器

5. 2-4路32位脈沖分頻器

6. GPIO

7. 3-8譯碼器

8. 8x8矩陣鍵盤

四、功能引腳介紹

五、應(yīng)用方向舉例

1. 步進(jìn)馬達(dá)控制器

2. 輕紡設(shè)備：縫紉機(jī)/繡花機(jī)等

3. 機(jī)器手/臂

4. 空間座標(biāo)測(cè)量/定位系統(tǒng)

5. 經(jīng)濟(jì)型通用運(yùn)動(dòng)控制器

6. 鉆孔、銑邊設(shè)備

7. 其他

六、編程應(yīng)用介紹

A、CPU接口

      該芯片采用通用8051 8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用接口。由于芯片內(nèi)置了地址鎖存器，因此可以直接與8051單片機(jī)地址/數(shù)據(jù)總線相連，而不需要通過地址鎖存器分離出地址和數(shù)據(jù)總線。另外，該芯片內(nèi)置了一個(gè)3-8譯碼器，可以輸出7個(gè)片選信號(hào)，以供用戶擴(kuò)展地址譯碼用。這樣，極大地方便了用戶基于8051單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)接口只需要14根線。包括：

a) 8根地址/數(shù)據(jù)總線：AD0~7

b) 3根片選線：CS1~3

c) 1根地址鎖存允許線：ALE

d) 1根讀允許線：RD_n

e) 1根寫允許線：WR_n

輸出7根片選線，地址劃分見地址分配表。

B、地址分配

C、CPU讀/寫操作

讀寫脈沖計(jì)數(shù)器：

脈沖計(jì)數(shù)器的值可以用命令直接寫，但要讀出時(shí)，就必須先用鎖存脈沖計(jì)數(shù)器值命令，先鎖存起來，再用命令直接讀；如下所示。

寫脈沖計(jì)數(shù)器操作格式：

a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;

其中：地址=基地址+0+nn*16+mm; nn=(0~3)為通道號(hào)，mm=(0~3)為字節(jié)地址；

數(shù)據(jù)為8位字節(jié)數(shù)據(jù)。

讀脈沖計(jì)數(shù)器操作格式：

a、(*鎖存地址)= 任意數(shù)據(jù);

b、變量=(*讀地址);

其中：鎖存地址=基地址+10+nn*16; nn=(0~3)為通道號(hào)，10為鎖存脈沖計(jì)數(shù)器地址；

鎖存命令的數(shù)據(jù)為8位字節(jié)任意數(shù)據(jù)，其值無意義。

讀地址=基地址+0+mm; mm=(0~3)為字節(jié)地址；

注意：脈沖計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度為32位，允許全范圍設(shè)置：0x00000000~0xFFFFFFFF。實(shí)際輸出脈沖個(gè)數(shù)由下面公式給出：

脈沖個(gè)數(shù)=（脈沖計(jì)數(shù)器值+1）/2；

當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)器值為最大值0xFFFFFFFF時(shí)，允許最大脈沖個(gè)數(shù)為2,147,483,6?8。

當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)器值為最小值0x00000001時(shí)，允許最小脈沖個(gè)數(shù)為1。

      其中，脈沖計(jì)數(shù)器值應(yīng)該為奇數(shù)，如為偶數(shù)，則最后一個(gè)脈沖寬度很窄。輸出脈沖為對(duì)應(yīng)頻率的方波。

寫脈沖頻率數(shù)據(jù)：

寫脈沖頻率數(shù)據(jù)操作格式：

a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;

其中：地址=基地址+4+nn*16+mm; nn=(0~3)為通道號(hào)，mm=(0~3)為字節(jié)地址；

數(shù)據(jù)為8位字節(jié)數(shù)據(jù)。

32位情況：脈沖頻率值長(zhǎng)度為32位，允許設(shè)置范圍為：0x00000001~0xFFFFFFFF。實(shí)際輸出脈沖頻率由下面公式給出：

當(dāng)脈沖頻率值<0x00800000 時(shí)：

脈沖頻率=(輸入時(shí)鐘頻率/228)*脈沖頻率值；

當(dāng)脈沖頻率值≥0x00800000 時(shí)：

脈沖頻率=(輸入時(shí)鐘頻率/（236+228）*脈沖頻率值。

24位情況：脈沖頻率值長(zhǎng)度為24位，允許設(shè)置范圍為：0x000001~0xFFFFFF。實(shí)際輸出脈沖頻率由下面公式給出：

當(dāng)脈沖頻率值<0x00400000 時(shí)：

脈沖頻率=(輸入時(shí)鐘頻率/225)*脈沖頻率值；

當(dāng)脈沖頻率值≥0x00400000 時(shí)：

脈沖頻率=(輸入時(shí)鐘頻率/（233+225）*脈沖頻率值。

啟動(dòng)脈沖通道工作：

啟動(dòng)脈沖通道工作操作格式：

a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;

其中：地址=基地址+8;

數(shù)據(jù)為8bit字節(jié)，作為允許啟動(dòng)標(biāo)志，定義為：

D0----為1時(shí)，允許通道1啟動(dòng)，為0時(shí)不啟動(dòng)；

D1----為1時(shí)，允許通道2啟動(dòng)，為0時(shí)不啟動(dòng)；

D2----為1時(shí)，允許通道3啟動(dòng)，為0時(shí)不啟動(dòng)；

D3----為1時(shí)，允許通道4啟動(dòng)，為0時(shí)不啟動(dòng)。

停止脈沖通道工作：

停止脈沖通道工作操作格式：

a、（*地址）= 數(shù)據(jù) ;

其中：地址=基地址+9;

數(shù)據(jù)為8bit字節(jié)，作為允許停止標(biāo)志，定義為：

D0----為1時(shí)，允許通道1停止，為0時(shí)不停止；

D1----為1時(shí)，允許通道2停止，為0時(shí)不停止；

D2----為1時(shí)，允許通道3停止，為0時(shí)不停止；

D3----為1時(shí)，允許通道4停止，為0時(shí)不停止。

回讀數(shù)據(jù)鎖存：

      CPU要讀相應(yīng)功能的數(shù)據(jù)，就必須先鎖存其數(shù)據(jù)，才能讀；否則，只能讀取上次鎖存的數(shù)據(jù)。共有下面三種功能數(shù)據(jù)：

1. 脈沖計(jì)數(shù)器值：32bit；

2. 通用輸入口值：8bit；

3. 按鍵編碼值： 7bit；

      CPU讀數(shù)據(jù)是按8 bit字節(jié)讀方式進(jìn)行的，32 bit脈沖計(jì)數(shù)器值需要讀4次，可按0~3任意順序讀取。8 bit值只能從地址0讀取。格式為：

a、(*鎖存地址)= 任意數(shù)據(jù);

b、變量=(*讀地址);

其中：鎖存地址和讀地址，可參見地址分配表3。

8/8位通用輸入/輸出口：

該芯片包含8位通用輸入口和8位通用輸出口。

8位通用輸入口讀命令為：

a、(*鎖存地址)=任意數(shù)據(jù);

b、變量=(*讀地址);

其中：鎖存地址=基地址+12；

讀地址=基地址+0；（所有讀地址相同）

8位通用輸出口寫命令為：

a、(*寫地址)= 數(shù)據(jù);

其中：寫地址=基地址+11；

寫數(shù)據(jù)為8位字節(jié)數(shù)據(jù)。

8x8鍵盤接口：

      該芯片支持8X8矩陣鍵盤，自動(dòng)掃描鍵盤，識(shí)別按鍵鍵碼，CPU通過接口可讀取當(dāng)前按鍵編碼值。命令如下：

a、(*鎖存地址)=任意數(shù)據(jù);

b、變量=(*讀地址);

其中：鎖存地址=基地址+28；

讀地址=基地址+0；（所有讀地址相同）

按鍵編碼格式：

標(biāo)志位：為1表示有鍵正按下，為0表示沒有按鍵；

X：忽略；

回讀碼：取0~7為當(dāng)前按鍵所對(duì)應(yīng)的行(或列)編碼，特指輸入線(KBC_0~7)；

掃描碼：取0~7為當(dāng)前按鍵所對(duì)應(yīng)的列(或行)編碼；特指輸出線(KBS_0~7)；

七、編程示例

//A、地址常量定義：（設(shè)芯片基地址為0xe000）

#define MC_sys_CLK 32000000 //定義芯片工作頻率

#define MC_CNT_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe000 //定義計(jì)數(shù)器值寫基地址

#define MC_CNT_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00A //定義計(jì)數(shù)器鎖存寫基地址

#define MC_FRQ_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe004 //定義頻率值寫基地址

#define MC_Startup_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe008 //定義啟動(dòng)寫基地址

#define MC_Stop_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe009 //定義停止寫基地址

#define MC_GPOut_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00B //定義通用輸出值寫基地址

#define MC_GPIn_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00C //定義通用輸入值鎖存寫基地址

#define MC_KB_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe01C //定義鍵盤編碼值鎖存寫基地址

#define MC_ RD_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe000 //定義回讀值讀基地址

//B、子程序片：

//0、延遲子程序：芯片讀/寫命令間要求有一定的定時(shí)間隔。

void delay(int n)

{ int i;

for( i = 0; i

}

//1、寫第n通道脈沖數(shù)值（必須為奇數(shù)）

cnt = Np*2-1;

MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+0] = (char)((cnt>> 0) & 0x0ff);delay(10);

MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+1] = (char)((cnt>> 8) & 0x0ff); delay(10);

MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+2] = (char)((cnt>>16) & 0x0ff); delay(10);

MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+3] = (char)((cnt>>24) & 0x0ff);

//2、讀第n通道脈沖數(shù)值

MC_CNT_Latch_WR_Base_Addr [n*16+0] = (char)0; delay(10); //鎖存第n通道脈沖數(shù)值

Cnt = MC_ RD_Base_Addr [0]; delay(10); //回讀數(shù)據(jù)0字節(jié)

Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [1]<<8; delay(10); //回讀數(shù)據(jù)1字節(jié)

Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [2]<<16; delay(10); //回讀數(shù)據(jù)2字節(jié)

Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [3]<<24; //回讀數(shù)據(jù)3字節(jié)

if( Cnt ==0xffffffff )

{ //第n通道脈沖輸出完處理

}

//3、寫第n通道脈沖頻率值

Nfrq= frq_pulse*0x10000000/MC_sys_CLK; //注意整數(shù)運(yùn)算溢出問題

MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+0] = (char)((Nfrq>> 0) & 0x0ff); delay(10);

MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+1] = (char)((Nfrq>> 8) & 0x0ff); delay(10);

MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+2] = (char)((Nfrq>>16) & 0x0ff); delay(10);

MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+3] = (char)((Nfrq>>24) & 0x0ff);

//4、啟動(dòng)多個(gè)通道脈沖工作

MC_Startup_WR_Base_Addr[0] = (F0 & 1) | ((F1<<1)&2) | ((F2<<2)&4 | ((F3<<3)&8) ;

//5、停止多個(gè)通道脈沖工作

MC_Stop_WR_Base_Addr[0] = (F0 & 1) | ((F1<<1)&2) | ((F2<<2)&4 | ((F3<<3)&8) ;

//6、8位通用輸出口輸出

MC_GPOut_WR_Base_Addr [0] = (char)(GPOut &0x0ff) ;

//7、8位通用輸入口輸入

MC_GPIn_Latch_WR_Base_Addr [0] = (char)0; delay(10); //鎖存通用輸入口值

GPIn_V = MC_ RD_Base_Addr [0] ;

//8、7位鍵盤按鍵編碼輸入

MC_KB_Latch_WR_Base_Addr [0] = (char)0; delay(10); //鎖存按鍵編碼值

KBCode = MC_ RD_Base_Addr [0] ;

if(KBCode & 0x80)

{

//當(dāng)前有按鍵按下處理

}

八、基于SM1000的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

      除了軸運(yùn)動(dòng)控制本身之外，在板上根本不需要譯碼器、鎖存器之類的芯片，按鍵掃描電路也節(jié)省了不少M(fèi)CU帶寬開銷，數(shù)字量通用輸出/輸入也增加了系統(tǒng)的控制方便性。