嵌入式运动控制器交互系统设计

嵌入式运动控制器交互系统设计
杨晓花
【摘要】本文基于ARM芯片与DSP处理器,设计了嵌入式运动控制器交互系统,
构建了具有多轨迹运动控制能力的交互系统架构,优化了系统的扩展性并提出了ARM与DSP分步设计模式,降低了开发与维护成本.同时,建立实现运动控制的实时交互模型,通过状态检测、插补等实时进程实现运动控制的实时交互,以提高交互的
实时性与准确性.
【期刊名称】《信息安全与技术》
【年(卷),期】2014(005)010
【总页数】3页(P86-88)
【关键词】嵌入式;运动控制器;交互系统
【作者】杨晓花
【作者单位】福州大学至诚学院福建福州350002
【正文语种】中文
嵌入式运动控制器交互系统是运动控制系统核心部分，目前实现运动控制器的方法主要包括单片机加微处理器、专用芯片处理器和基于PC总线的DSP或者FPGA
处理器。

其中，单片机加微处理器作为控制器核心精度低、运行速度慢，适用于对运动轨迹不复杂的运动控制系统中，专用芯片处理器作为运动控制器核心结构简单，不具备交互功能，只用于单一运动控制中，基于PC总线的DSP或者FPGA处理
器作为控制器核心具有较强的信息里能力，适用于多轨迹运动控制，但是其设备体
积大，设计成本高。

因此，本文提出一种基于ARM处理器加DSP处理器为核心
的嵌入式运动控制器系统，该系统具有多轨迹运动控制能力和良好的扩展性，同时设计成本较低。

2.1 系统平台介绍
本文所开发的嵌入式运动控制器交互系统采用ARM与DSP分步设计，ARM控制板与DSP控制板通过I/O接口实现数据交互。

嵌入式运动控制器交互系统是采用Linux操作系统设计操控平台，软件交互采用QT/Embedded可触控设计，编程
语言选择C++完成平台设计，通过标准化通信接口实现与机械的人机交互，人机
交互硬件控制采用嵌入式ARM处理器，DSP数字信号处理器和FPGA可编程逻
辑门阵列，完成对机械的运动下载指令。

系统平台结构如图1所示。

在Linux环境下设计的软件操控平台通过通信接口可实现操作运动控制器，运动
控制器通过运动指令操纵机械运动，由此实现软件对机械运动的控制。

同时，机械运动过程中所产生的运动数据通过传感器信息反馈给软件操控平台，进而进行机械运动数据的可视化监控，保证机械按照既定规则运动。

2.2 系统建模
嵌入式运动控制器交互系统根据被控制对象的可证进行模块化设计，系统建模首先对系统进行初始化，初始化系统硬件设备包括通信接口伺服系统等；其次，设定通信模块参数值，对I/O接口、网络接口、报警状态、坐标值、各通信数值等进行
设定。

2.3 人机交互
嵌入式运动控制器交互系统人机交互流程如图2所示。

嵌入式运动控制器交互系统人机交互是基于Linux系统，搭建QT/Embedded图形化开发环境，设计嵌入式运动控制器交互平台，该平台可划分为机械控制部分和信息显示部分，机械控制部分包括机械自动化控制、机械手动控制和机械控制设置。

首先对机械运动过程进行控制设置，设置成功机械按照既定程序进行运动，如出现故障则转换为手动控制模式。

信息显示部分包括机械运动信息、机械参数信息和机械故障信息，当机械运动过程中，机械运动信息通过传感器反馈到信息显示平台，当机械运动参数超过既定参数范围则显示机械故障信息，并触发预警机制。

3.1 系统结构
嵌入式运动控制器交互系统如图3所示。

嵌入式运动控制器交互系统控制功能实现是通过ARM处理器、DSP数字信号处理器和FPGA可编程逻辑门列阵共同完成，ARM作为上位机是实现人机交互的重要元件，通过ARM可实现机械运动指令的下达、运动信息的查看、机械连贯性运动智能编程等，由DSP数字信号处理器进行控制通信，并进行运动插补的计算，FPGA可编程逻辑门进行底层逻辑操作，通过标准通信接口下载机械控制命令。

3.2 交互方式
为了实现运动控制实时交互，采用实时进程方式进行交互，在本系统中，交互进程可分为四种线程，即状态检测线程、插补线程、位置控制线程和功能线程。

状态检测线程是对硬件设备的运行状态进行检测，检测方式通过对I/O接口的数据值进行监控，当监控数据值与设定值出现偏差时，可通过预警方式报警或者是自动停止设备运行。

插补线程是在译码的缓冲区按照既定顺序获取插补数据值，再根据直线或者圆弧的方式进行插补，由此可得出运动控制器周期性的理论坐标值。

位置控制线程是对计数器中的编码值进行读取，确定实际坐标值，其与插补器所获得的运动控制器周期性理论坐标值进行比对，当出现差值时，可调节PID参数，由此控制运动控制坐标位置。

功能控制线程是控制运控控制器轨迹和实现运动控制器信息功能的管理，功能控制线程一方面控制机械运动的开启、暂停和速度状态，另一方面对运动控制器的状态
信息进行采集反馈到控制平台。

3.3 交互实现
交互实现流程如图4所示。

嵌入式运动控制器交互实现是人机交互功能，包括：数控指令的下达与编译、运动状态的监控与管理等，对运动控制器下达数控指令，由ARM处理器进行指令译码、运动状态处理及插补计算等，由此调用运动控制函数执行机械运动，运动控制函数存放在运动控制函数库中，函数库中的函数满足机械可执行的各项运动。

同时，通过I/O接口对机械运动的状态值进行监控，当监控数据值与设定值出现偏差时，
可通过预警方式报警或者是自动停止设备运行。

嵌入式运动控制器交互系统是实现人机交互的主要部件，该系统一方面可由软件设计机械运动过程，通过运动组合完成机械运动目的，另一方面机械运动信息通过传感器反馈到信息显示平台，便于对机械运动的状况进行监控。

在嵌入式运动控制器交互系统设计中，将其划分为两部分进行设计，一部分是实现硬件系统对机械运动的控制，另一部分是软件控制设计软件对机械运动命令的编辑和机械运动信息的监控，二者实现命令及信息的交互完成机械运动智能化管理与操控。

杨晓花(1979-)，女，汉族，福建人，硕士，工程师；主要研究方向和关注领域：
嵌入式、数据库、电子商务。

【相关文献】
[1]付浩,刘建群.基于OMAP-L138的嵌入式运动控制器的设计与研究[J].科学技术与工程,2013(01).
[2]林勇强,王勇,冯屹朝.开放式运动控制器技术现状与发展趋势[J].信息技术,2010(05).
[3]张仕龙.基于DSP的嵌入式运动控制器设计与优化[J].电源技术应用,2013(08).
[4]蒋涛.基于嵌入式平台的人机交互系统设计[J].工业控制计算机,2012(04).
[5]沈建华.ARM处理器与嵌入式系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(11).。