嵌入式学习资料之ARM+PCL6045B的嵌入式运动控制器设计

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本系统设置IF1：IF0=0：1，CPU连接如图3所示。

千锋嵌入式计不同的模块化用 户软件，来满足不同的运动控制任务。模块化软件恰好 是Linux操作系统的优点。Linux还可以根据用户的需 求实现内核的裁减和定制，源码开放，网络支持功能强 大，价格上也更具有竞争优势等。所以该控制器选用 Linux作为片上系统(SoC)。但是，Linux并不是一个实 时操作系统，因此，通过实时内核补丁RTAI(Real Time Application In-terface)，在硬件平台的基础上 增加一个实时内核，将Linux内核当作它的优先级最低 的任务执行，从而保证运动控制系统的实时性。系统的 控制软件分为两个区域：非实时域和实时域。非实时域 是建立在普通Linux内核基础上的，其主要包括系统初 始化和通信模块。

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通过通用I／O接口与DSP运动控制板通信，实现 arm主控板与运动控制板之间数据的实时双向传送；外 部NAND Flash存储器(64 MB)，用于存储系统参数及 运动指令；NOR Flash存储器(2 MB)，用于存放系统运 行程序；SDRAM存储器(64 MB)，用于存放临时数据； 通过串口、以太网接口、USB接口与上位机系统通信， 实现两者之间数据的传送；通过LCD接口，实现 320×240分辨率液晶屏的图形与字符显示，并具有触 摸屏接口，提供友好的人机交互界面；通过I／O扩展接 口，提供可编程的数字I／O通道；通过JTAG接口与PC 机通信，实现系统运行程序的仿真调试及下载，软件升 级接口。

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本文综合应用ARM嵌入式系统技术、DSP运动控制 技术等多种技术开发出高性能的嵌入式运动控制器。该 控制器相比传统的基于PC机的运动控制器，具有成本 低、体积小、功耗低、功能丰富、运行稳定的特点和优 势。以arm微控器和PCL6045B为核心的嵌入式运动控 制器，采用Linux操作系统，经过对其进行实时化改造， Linux 使系统能很好地进行多任务处理，保证了系统的实时性。 该控制器能够实现高速和高精度的运动控制需求，具有 良好的运动控制性能。该运动控制器的设计，为读者提 供了一种良好的解决方案，在运动控制领域具有广阔的 应用前景。

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本系统DSP运动控制芯片选用PCL6045B。 PCL6045B是一种功能十分强大的DSP运动控制芯 片。芯片能够控制四轴，并实现两轴到四轴直线差 补、两轴圆弧差补。所有插补计算由芯片完成，上 位机只需写入圆弧的参数即可，其多轴插补控制功 能特别优秀。系统硬件采用主从式双CPU结构模式。 主CPU为ARM处理器，负责键盘、显示、网络通信 等管理工作；从CPU为PCL6045B运动控制芯片， 专门负责运动控制的处理工作。PCL6045B与arm 的通信是靠读写I／O总线上的几个地址来进行指令 和数据的传输。控制系统硬件结构框图如图2所示。

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运动控制器是运动控制系统的核心部件。目前，国 内的运动控制器大致可以分为3类： 第1类是以单片机等微处理器作为控制核心的运动 控制器。这类运动控制器速度较慢、精度不高、成本相 对较低，只能在一些低速运行和对轨迹要求不高的轮廓 运动控制场合应用。 第2类是以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动 控制器，这类运动控制器结构比较简单，大多只能输出 脉冲信号，工作于开环控制方式。由于这类控制器不能 提供连续插补功能，也没有前馈功能，特别是对于大量 的小线段连续运动的场合不能使用这类控制器。

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第3类是基于PC总线的以DSP或FPGA作为核心处理器的开放 式运动控制器。这类开放式运动控制器以DSP芯片作为运动控制 器的核心处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插件 形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式。这样的运动控制器 具有信息处理能力强，开放程度高，运动轨迹控制准确，通用性 好的特点。但是这种方式存在以下缺点：运动控制卡需要插入计 算机主板的PCI或者ISA插槽，因此每个具体应用都必须配置一台 PC机作为上位机。这无疑对设备的体积、成本和运行环境都有一 定的限制，难以独立运行和小型化。 针对这些问题，设计了一种基于arm+DSP的嵌入式运动控制 器。该控制器将嵌入式CPU与专用运动控制芯片相结合，将运动 控制功能以功能模块的方式嵌入到arm主控板的架构，把不需要 的设备裁减掉，既兼顾功能又节省成本。该控制器是一种可以脱 离上位机单独运行的一种独立型运动控制器，具有良好的应用前 景。

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本系统采用的ARM芯片为Samsung公司推出 的16／32位RISC处理器S3C2440A，主频为400 MHz，最高频率可达533 MHz。arm主控板以嵌 入式处理器S3C2440A为核心，外扩存储器和通用 设备接口。arm主控板的硬件结构框图如图1所示。

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②插补线程(rt_interpolation_thread)。从译码缓 冲区中顺序取得插补数据，然后根据是直线或者圆弧进 行插补，插补得到下个周期应该到达的理论坐标值。 ③位置控制线程(rt_position_thread)。读取计数 器中编码器的数值，得到实际的位置，并与插补器中的 理论位置坐标作比较。根据差值调节PID参数，并将具 体脉冲输出数写入对应的PWM口的脉冲数寄存器中。 ④功能控制线程(rt_function_thread)。功能控制 任务利用RTAI实时管道来传递命令和状态信息的功能。 通过管道的命令设置实现Linux操作系统对实时部分 RTAI的访问，从而实现运动控制器的运行、暂停、给 定速度等状态设置。

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软件平台是系统应用程序开发的基础。本系统 软件平台主要包括：arm-Linux的移植、串行接口 驱动开发、USB接口驱动开发、LCD接口驱动开发、 触摸屏接口驱动开发、以太网接口驱动开发、文件 系统的移植等。这些软件的开发和移植在很多文献 中有详细的说明。
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引言 1 嵌入式运动控制器的硬件平台设计 arm主控板部分 1．1 arm主控板部分 DSP运动控制板部分 1．2 DSP运动控制板部分 arm处理器与运动控制芯片的连接 1．3 arm处理器与运动控制芯片的连接 2 嵌入式运动控制器的软件设计 2．1 软件平台的建立 2．2 运动控制函数库的设计 Ljnux进行实时化改造 2．3 对Ljnux进行实时化改造 2．4 应用软件设计 结语
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应用软件主要包括人机交互界面的设计、数控 指令的编译解释、按键功能的实现、运动状态的监 视等。通过操作系统ARM-Linux，可方便地实现 上述功能，并进行多任务的调度。运动控制器根据 输入的数控指令文件，将其存入NAND Flash中。 arm处理器通过对数控指令进行译码、速度预处理、 粗插补计算等，调用运动控制函数，进而发出控制 指令控制步进或伺服系统去控制执行部件进行动作， 从而达到实现运动控制的目的。

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嵌入式运动控制器的硬件主要包括两个部分： ARM主控板和DSP运动控制板。这两块控制板通过 通用I／O口以总线的方式连接在一起。在设计时， 可以分别对ARM主控板和DSP运动控制板进行设计， 最后再调试。这种将arm主控板和DSP运动控制板 分开设计和调试的硬件方案，将设计难点分散，使 设计和调试更简单。

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①系统初始化：进行微处理器的硬件初始化，包括输入 ／输出接口的配置、具体总线通信方式的配置以及伺服系统 相关的接口参数配置。 ②通信模块：负责运动控制卡和上位机之间的坐标值、 速度值、数控系统的I／O接口状态、报警状态以及数据链表 的传输。 实时域建立在RTAI实时内核的基础上。其实时任务通过 实时进程的方式来完成，一种为周期性(peri_odic)实时进程， 另一种为一次性(one shot)实时进程。实时域主要包括如下 4个周期性实时线程： ①状态检测线程(rt_monitor_thread)。本任务对设备 运行状态进行检测，负责从I／O端口读入各个连接的I／O设 备值，然后将状态写入状态检测缓冲区中，对设备急停、伺 服报警、限位信号进行判断，并进行相应的处理。

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由于Linux不是一个实时操作系统，所以，利 用实时内核补丁RTAI(Real Time Application Interface)。RTAI的安装和使用详见参考文献[7]。 该控制器所使用的Linux开发环境为 ELDK(Embedded Linux DevelopedKit)3．0。 Linux内核为Linuxp pc_2_4_devel，而RTAI的版 本为24．1．12。由Linux中的init_module()和 cleanup_modtde()两个函数加载和卸载实时任务 模块，通过这两个函数进行实时线程及其处理函数 的创建和回收。其关键程序如下：

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通过设置引脚IF0与IF1，PCL6045B芯片与不同的CPU相连，如表1 所列。

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通用运动控制器的功能主要取决于运动控制函数库。 要做成一个开放式的运动控制器，必须编写丰富的运动 控制函数库，以满足不同的应用要求。运动控制函数库 要为单轴及多轴的步进或伺服控制提供许多运动函数， 如单轴驱动、两轴直线插补、3轴直线插补、圆弧插补 等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还编写了 一些辅助函数，如中断处理、编码器反馈、间隙补偿、 通用开关量的输入输出等。这样，用户在开发应用程序 时就不必再关心底层的东西，只需根据控制系统的要求 编制人机界面，并调用运动控制函数库中的函数，就可 以开发出满足要求的多轴运动控制系统。