摘 要：本文提出了一種新的基于ARM 與MCX314As 的嵌入式四軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用ARM 處理器S3C2410 為主CPU，運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As 為從CPU，并采用實(shí)時(shí)的Linux 操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，并保證了運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：ARM；MCX314As；數(shù)控系統(tǒng)；Linux

1. 引言

    在本方案中，以ARM 微處理器為核心主控板，配以運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314A 和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)。ARM 嵌入式平臺(tái)憑借其強(qiáng)大的功能與良好的設(shè)備支持受到了普遍的關(guān)注，它采用5 級(jí)流水線，具有指令和數(shù)據(jù)Cache,支持協(xié)處理器和片上調(diào)試。具有開發(fā)移植容易、體積小、功耗低、運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。MCX314As是日本NOVA 公司推出的4 軸運(yùn)動(dòng)控制專用DSP（Digital Single Processing）集成電路,通過(guò)這個(gè)集成電路可以控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的4 軸的位置、速度和插補(bǔ)。Linux 操作系統(tǒng)是一個(gè)免費(fèi)的開放軟件，源代碼是公開的，它具有系統(tǒng)穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、應(yīng)用軟件多、簡(jiǎn)單易用、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案從底層實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的軟件和硬件的開放，這樣就使數(shù)控系統(tǒng)具有更高集成度、更高可靠性、更低成本、更友好的控制操作界面、更多系統(tǒng)資源和更大內(nèi)存成為可能。設(shè)計(jì)方案對(duì)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)有一定的積極意義。

2. 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

ARM 處理器選用Samsung 公司的S3C2410 處理芯片。S3C2410 是一款基于ARM920T內(nèi)核的32 位RISC 架構(gòu)的處理器。其體積小、低價(jià)格、低功耗、性能高，帶有MMU（Memory Management Unit）功能，主頻可達(dá)203MHz,還采用了AMBA（Advanced Microcontroller BusArchitecture）的新型總線結(jié)構(gòu)，支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件。

    運(yùn)動(dòng)控制芯片選用MCX314As。MCX314As 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4 軸（X 軸、Y 軸、Z 軸、U 軸），可在4 軸中選擇任意的2 軸作圓弧插補(bǔ)、2/3軸作直線插補(bǔ)，插補(bǔ)精度是±0.5LSB。默認(rèn)輸入時(shí)鐘為16MHz，脈沖輸出速度最高可達(dá)4MPPS，輸出脈沖范圍為32 位。

    MCX314As 還有伺服電機(jī)反饋輸入（編碼器信號(hào)、在位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)）、加/減速驅(qū)動(dòng)、軟硬件限位、自動(dòng)原點(diǎn)搜索、同步動(dòng)作、輸入信號(hào)濾波等功能。

    MCX314As 能與8/16 位數(shù)據(jù)總線接口，其所有的功能都是通過(guò)讀寫內(nèi)部命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和模式寄存器而實(shí)現(xiàn)。各軸都有32 位的邏輯位置計(jì)數(shù)器（對(duì)輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)）、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器（對(duì)外部編碼器計(jì)數(shù)）和比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。各軸都有4 個(gè)通用輸入（可用于限位、原點(diǎn)信號(hào)輸入）和4/8 個(gè)通用輸出。

    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，用于鍵盤、顯示、網(wǎng)絡(luò)通訊等管理工作，而從CPU 即為MCX314A 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。ARM 處理器S3C2410 通過(guò)16 位數(shù)據(jù)總線與MCX314As 相連，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

    ARM 外部Flash 存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)需要固化的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)（如軌跡坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)）。Flash 存儲(chǔ)器采用韓國(guó)三星半導(dǎo)體公司生產(chǎn)制造的K9F5608U0C（64M Nand Flash）和1MBAMD Nor Flash，SDRAM 采用韓國(guó)現(xiàn)代公司生產(chǎn)制造的HY57V561620BT（32M＊2），液晶模塊采用NEC 的3.5 寸TFT LCD 屏。為便于與上位系統(tǒng)和其他控制器間通信，控制器設(shè)計(jì)有RS232 和以太網(wǎng)通信功能以及鍵盤和USB 接口。以太網(wǎng)接口控制器采用CS8900A。ARM控制器可方便地向MCX314A 發(fā)送執(zhí)行命令，產(chǎn)生控制脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件形成期望的運(yùn)動(dòng)。

3. 軟件系統(tǒng)

    S3C2410 要完成通信、人機(jī)交互、運(yùn)行控制算法產(chǎn)生控制指令、MCX314As 的讀寫操作等多任務(wù)。在控制器中嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)Linux 操作系統(tǒng)給軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)便利，移植的技術(shù)細(xì)節(jié)參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]、[3]。下面主要討論S3C2410 對(duì)MCX314As 的控制。

    操作MCX314As 對(duì)于程序設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)就是按一定的時(shí)序讀寫其內(nèi)部的寄存器。MCX314As可“寫”的寄存器有：命令寄存器WR0，模式寄存器WR1～3，輸出寄存器WR4，插補(bǔ)模式寄存器WR5，數(shù)據(jù)寄存器WR6～7；可“讀”的寄存器有：主狀態(tài)寄存器RR0，狀態(tài)寄存器RR1～5，數(shù)據(jù)寄存器RR6～7。

    ARM 處理器將I/O 端口和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，將MCX314As 接于S3C2410 的Bank2 存儲(chǔ)器組，即將CS2 作為MCX314As 的片選信號(hào)，訪問(wèn)MCX314A 寄存器的基本地址為0x10000000，要注意0x10000000 是按照硬件原理圖的設(shè)計(jì)得到的，是MCX314As 寄存器WR0 的物理地址。在Linux 操作系統(tǒng)中，運(yùn)行在用戶空間的應(yīng)用程序所用的都是虛擬地址，編寫驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，還需要利用ioremap（）函數(shù)把物理地址轉(zhuǎn)換成虛擬地址來(lái)使用。那么WR0 和RR0 的地址是0x10000000，記為Addr。那么，WR1 和RR1 的地址是Addr+2，依此類推，WR7 和RR7 的地址是Addr+0x0e。圖2 是S3C2410 操作MCX314A 的流程圖[4]。

4. 結(jié)論

    MCX314As 是一款功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制芯片，具有優(yōu)秀的四軸控制及插補(bǔ)功能，為數(shù)控系統(tǒng)的研制提供了一個(gè)可選的較為方便可靠的底層控制單元。它豐富的功能簡(jiǎn)化了數(shù)控系統(tǒng)多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。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。采用ARM 處理器及運(yùn)動(dòng)控制芯片，能大量地減輕研發(fā)任務(wù)，提高研發(fā)速度，能夠在短時(shí)間內(nèi)得到高速度、高精度、高效率、高可靠性、成本低的數(shù)控系統(tǒng)。而Linux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的加入，使得系統(tǒng)能夠很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，并且保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫紀(jì)坤,張小全編著.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解－－基于ARM[M].北京:人民郵電出版社,2006,8
[2]葉佩青,汪勁松編著.MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.11
[3]周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)系列教程[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005
[4]余張國(guó),李眾立,李磊民.基于ARM 和MCX314A 的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器[J].微計(jì)算機(jī)息,2005.10