摘 要：本文提出了一種基于ARM微處理器S3C2410 和DSP 專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As構(gòu)成的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。它可廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等工業(yè)控制領(lǐng)域。該嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器具有低功耗、高性能、低價(jià)位等特點(diǎn)，是未來(lái)經(jīng)濟(jì)型工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：微處理器；運(yùn)動(dòng)控制芯片；工業(yè)控制 0. 引言 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，而嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用還不太成熟，近年來(lái)，工業(yè)控制對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，為了滿足新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能要求，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)運(yùn)而生?；贏RM 與DSP 運(yùn)動(dòng)控制芯片相結(jié)合的新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮ARM 微控器與專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As 的各自特點(diǎn)，可方便的構(gòu)成高性能的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 1. 運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As MCX314As 是日本NOVA 電子有限公司研制的DSP 運(yùn)動(dòng)控制專用芯片， 它是以單一芯片而可控制4 軸的脈沖序列輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制芯片，可用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、測(cè)量設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器等?？梢赃M(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4 軸中任意的選擇2 軸或是3 軸來(lái)進(jìn)行圓弧、直線、位模式插補(bǔ)。輸出脈沖頻率高達(dá)4MHZ，誤差低于±0.5 最小插補(bǔ)單元，倍率1～500。每軸都有伺服反饋輸入端、四個(gè)輸入點(diǎn)和8 個(gè)輸出點(diǎn)，能獨(dú)立地設(shè)置為恒速、線性、非對(duì)稱S 曲線加/減控制、非對(duì)稱梯形加/減控制,并有2 個(gè)32 位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。 MCX314As 運(yùn)動(dòng)控制芯片能與8/16 位數(shù)據(jù)總線接口，通過(guò)命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4 軸3 聯(lián)動(dòng)的位置 、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視。采用這種專業(yè)級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制芯片，能大大減輕研發(fā)算法軟件的工作量，加快科研工作的進(jìn)度，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)可以把所有極其復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制工作交給MCX314As 芯片來(lái)處理，而主機(jī)CPU 只需要向MCX314As 芯片發(fā)出一系列的控制指令便能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 2. ARM 微處理器S3C2410 S3C2410 是韓國(guó)三星（Samsung）公司設(shè)計(jì)的32 位RISC 嵌入式處理器。該處理器為手持設(shè)備和一般性應(yīng)用提供了一個(gè)高性價(jià)比、低功耗、高性能的解決方案。該芯片基于ARM920T內(nèi)核，采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，主頻高達(dá)200MHz。ARM920T 具有全性能的內(nèi)存管理單元MMU（Memory Management Unit）、獨(dú)立的16KB 指令和數(shù)據(jù)Cache 以及高速AMBA總線接口。為了減少應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本，S3C2410 集成了眾多的常用資源，例如：LCD控制器、NANDFlash 控制器、SDRAM 控制器、系統(tǒng)片選邏輯以及一些常用的通訊接口等資源, 這使它廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 3. 運(yùn)動(dòng)控制器的基本構(gòu)成 3.1 硬件系統(tǒng) 在開(kāi)發(fā)板S3C2410 上設(shè)計(jì)有系統(tǒng)總線預(yù)留接口，預(yù)留了S3C2410 芯片上的基于通用IO口的信號(hào)線，包括16 位數(shù)據(jù)線、12 位地址線、片選信號(hào)和一些讀寫控制信號(hào)線，以方便用戶擴(kuò)展應(yīng)用電路。運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As 與S3C2410 處理器的連接就是通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)總線接口電路，把兩者的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線、片選信號(hào)和中斷等信號(hào)連接起來(lái)。S3C2410 與MCX314As 的信號(hào)連接圖如圖1 所示。由圖中可以看到，在那些互相連接的信號(hào)線之間都隔著一些寫著“SN74ALVC164245”的芯片，那是因?yàn)镾3C2410 的I/O 引腳的工作電壓是3.3V 的（按道理可以承受5V 電壓），而MCX314As 的工作電壓是5V，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，同時(shí)也為了增加信號(hào)之間傳輸?shù)目煽啃?，我們?cè)趦烧咝盘?hào)連接時(shí)加入了這“SN74ALVC164245”的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。另外還需要注意的是，我們使用的是16 位數(shù)據(jù)線的傳輸，所以MCX314As 芯片的H16L8 引腳必須接上高電平。 3.2 軟件系統(tǒng) 該嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行加工的過(guò)程實(shí)際上就是從ARM上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)到 MCX314As下位機(jī)的過(guò)程。其控制流程圖如圖2所示 （1）加工程序運(yùn)行開(kāi)始，首先對(duì)MCX314As芯片進(jìn)行初始化。對(duì)MCX314As芯片進(jìn)行設(shè)置初始速度、加速度、減加速度、加速度變化率、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方式、邏輯位置計(jì)數(shù)器清零、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器清零等。 （2）選擇需要進(jìn)行加工的軸，MCX314As芯片有X、Y、Z、U四個(gè)軸，都有著相同的功能能力，能實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)。 （3）設(shè)置所選軸模式和運(yùn)行參數(shù)，包括直線定速模式、單步插補(bǔ)輸出模式和中斷請(qǐng)求。 （4）初始化位置計(jì)數(shù)器，即將數(shù)據(jù)庫(kù)中的行號(hào)寫入此計(jì)數(shù)器進(jìn)行減法計(jì)算，每處理完一行數(shù)據(jù)進(jìn)行減一處理。 （5）進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)出數(shù)據(jù)后對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行檢查，加工完一段后發(fā)出信號(hào)然后再發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，一直到加工完成為止。在加工過(guò)程中一旦出現(xiàn)中斷，首先讀取各寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，等待恢復(fù)加工后再讀寫出來(lái)。整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件輸出結(jié)束后，保存運(yùn)行系統(tǒng)完成后的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)所處的狀態(tài)信息，以備下個(gè)零件加工，由此加工結(jié)束。 4. 在XY 兩軸數(shù)控伺服工作臺(tái)中的應(yīng)用 XY 兩軸工作臺(tái)是采用滾珠絲桿和滾動(dòng)導(dǎo)軌傳動(dòng)的十字工作臺(tái)（X、Y 兩軸垂直）。X、Y 兩軸兩端各有1 個(gè)限位開(kāi)關(guān)。采用松下交流伺服電機(jī)（型號(hào)MSMA022A1C，功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.64Nm）驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用松下伺服驅(qū)動(dòng)器MSDA023A1A。采用光電編碼器作為位置反饋器件（伺服電機(jī)同軸安裝11 線2500P/r 增量編碼器） 圖3 是該平臺(tái)的X 軸驅(qū)動(dòng)原理圖，Y 軸驅(qū)動(dòng)與X 軸驅(qū)動(dòng)電路相同。圖中M 為伺服電機(jī)，EC 是編碼器。將伺服驅(qū)動(dòng)器的“控制模式”設(shè)置為“位置控制”，把指令脈沖設(shè)置為“CW/CCW”方式。S3C2410 按流程圖操作MCX314As，設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，寫入功能命令，即可完成對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制。 5. 結(jié)論 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用比較廣泛，MCX314As是高集成度的運(yùn)動(dòng)控制專用芯片能實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元3種模式的連續(xù)插補(bǔ)和位置閉環(huán)控制。而ARM處理器具有強(qiáng)大的32位RISC性能，體積小、功耗低，是一款高性能的處理器。基于ARM與專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片能大大減輕研發(fā)任務(wù)，加快研發(fā)速度，可以在較短時(shí)間內(nèi)得到控制性能優(yōu)異的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) [1] 葉佩青,汪勁松,MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),北京航空航天大學(xué)出版社,2002 [2] 余張國(guó),基于ARM和MCX314A的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器,微計(jì)算機(jī)信息,2005,21卷9-2 ,76-78 [3] 廣州友善之臂科技有限公司.SBC2410X使用手冊(cè)Version0.9.