基于ARM的嵌入式数控系统设计

收稿日期:2004-10-25 修订日期:2004-11-02

作者简介:金　晟(1979-),男,湖南衡阳人,硕士,研究生方向:嵌入式系统。

基于ARM 的嵌入式数控系统设计

金　晟,傅建中,陈子辰

(浙江大学机械工程学系,浙江杭州310027)

摘　要:提出了一种新的基于ARM 的嵌入式四轴数控系统的设计。该设计采用ARM 处理器

为主CPU ,运动控制芯片为从CPU ,并采用实时的μC/OS 操作系统,使得系统很好地进行多任务处理,并保证了运动控制的实时性。

关键词:ARM ;运动控制芯片;S3C44B0;PC L6045;四轴数控系统;μC/OS

中图分类号:TH164;TP391.8 文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2005)02-0056-03

The Design of Control System B ased on AR M and H igh 2speed Pulse G enerator

J I N Sheng ,FU Jian 2zhong ,CHE N Z i 2chen

(The Department o f Mechanical Engineering ,zhejiang univer sity ,Hangzhou 310027,China )

Abstract :This paper introduces a new design for four axes control system based on ARM and high 2speed Pulse G enerator.In this design ,ARM is main CPU ,and Pulse G enerator is subordination CPU.By using real 2time operating system μC/OS ,system can be g ood at dealing with multitask and the real time of system controlling.

K ey w ords :ARM ;Pulse G enerator ;S3C44B0;F our axes control system ;μC/OS

1　引　言

后PC 时代,嵌入式产品逐渐占领市场。高性

能,低功耗,低成本是这些嵌入式处理器的主要特点。在这些32位嵌入式处理器市场中,ARM 占有78.6%的份额。自20世纪80年代中期以来,数字运动控制芯片伴随着半导体制造业、计算机制造业、数控机床、工业机器人及其他产业机械的快速发展而取得惊人的业绩,在一些工业发达国家已形成了一种新兴的产业。许多公司已经开始采用数字运动控制芯片生产基于工业控制计算机的控制卡或者独立型的控制卡。

2　基于AR M 与运动控制芯片的控制系统模型

2.1　数控系统结构模型及优点

采用运动控器芯片具有以下好处:

(1)缩短开发周期。使用运动控制芯片使我们不再需要研发运动控制部分,能够大大缩短项目的研发时间和工作量。

(2)提高控制性能。用专业高性能运动控制芯片控制,可使电机运动更快、更平稳、更安静、更精确。

(3)提高系统可靠性。成熟的运动控制芯片中

各项软硬件功能均已相当成熟,比用户自己开发的更为可靠。同时采用此芯片后,控制器的硬件器件大为减少,软件程序大为缩短,均有助提高可靠性。

(4)降低软件研发成本。

软件开发简单、快速,可以由更少的软件研发人员花更少的时间完成复杂的运动控制编程。

因此,采用运动控制芯片能够大大减少工作量,并得到更优秀的控制性能。采用运动控制芯片由运动控制芯片来完成复杂的运动控制,而ARM 处理器用来管理调度。图1表示了基于这种思想开发的数控系统的结构。

图1　基于ARM 与运动控制芯片的控制系统模型

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2.2　数控系统的硬件结构

ARM 处理器选用S ANS UM 公司的44B0处理芯

片。S3C44B0是一款基于ARM7内核的32位RISC 架构的处理器。其体积小、低功耗、低成本、性能高,支持Thumb (16位)/ARM (32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件。

运动控制芯片选用PC L6045。PC L6045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,用于键盘、显示,网络通讯等管理工作,而从CPU 即为PC L6045

运动控制芯片,专门负责运动控制的处理工作。PC L6045与ARM 的通讯是靠读写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,如图2所示。

图2　控制系统硬件结构

2.3　AR M 处理器与运动控制芯片的连接

通过设置管脚IF0与IF1,PC L6045芯片与下面不同的CPU 相连,如表1所示。

表1　管脚与CPU 连接信号

IF1

IF0CPU

管脚与CPU 连接信号

RD

WR A0WRQ L L 68000

+5V R/W LDS DT ACK L H H8RD HWR (G ND )W AIT H L 8086RD WR (G ND )RE ADY H

H

Z 80

RD

WR

A0

W AIT

设置IF1∶IF0=0∶1,CPU 连接类型如H8。如图3所示。

图3　ARM 与运动控制芯片的连接

3　控制系统软件设计

3.1　控制系统软件构架

为了最大的利用系统硬件资源,并且还要保证

实时性,所以使用了μC/OS 这个多任务实时操作系统。使用到μC/OS V2.0操作系统,通过它实现多任务实时控制。程序的编程语言为C 语言以及ARM

汇编语言。μC/OS 的所有源代码都作为本程序的一部分,并与其它代码一起进行编译和链接。系统的

软界构架如图4所示。

图4　控制系统软件结构图

程序运行时将会先后创建如下任务:

(1)T askStart 系统运行后创建的第一个任务,完成一些初始化工作以及创建其它任务,所有工作完成后此任务将会被删除。

(2)T askMainMenu 主任务,系统的菜单、网络下载以及测试等都在此任务中完成,进入运动控制任务后此任务会被挂起。

(3)T askC ontrol 运动控制任务,负责编织过程中命令发送、运动芯片状态读取、I O 口操作等控制。(4)T askErrorC ontrol 异常处理任务,负责运动过程中的异常处理。

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