基于ARM和MCX314A的嵌入式运动控制器

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中文核心期刊!微计算机信息"（嵌入式与ＳＯＣ）２００５年第２１卷第９－２期

基于!"#和$%&’()*的嵌入式运动控制器

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%西南科技大学&余张国

李众立李磊民

Ｙｕ，ＺｈａｎｇｇｕｏＬｉ，ＺｈｏｎｇｌｉＬｉ，Ｌｅｉｍｉｎｇ

摘要#!"#处理器是业界领先的低功耗’低成本’高性能$%位嵌入式"&’(微处理器$#()$*+,是+轴$联动专用-’.运动控制芯片(文中提出以,"/微控器0.(%%1%对/()$*+,进行控制的嵌入式运动控制器方案$论述了控制器硬件和软件系统的构成$给出了运动控制器在)2两轴数控伺服工作台控制中的应用实例)关键词#运动控制*微控器*数控中图分类号#!"#$%文献表示码#&文章编号’())*+),-)./)),01+#+))-2+)%

/()$*+,还有伺服电机反馈输入%编码器信号’在位信号和报警信号&’加U减速驱动’软硬件限位’自动原点搜索’同步动作’输入信号滤波等功能)

/()$*+,能与\U*Y位数据总线接口$其所有的功能都是通过读写内部命令寄存器’数据寄存器’状态寄存器和模式寄存器而实现)各轴都有$%位的逻辑位置计数器%对输出的驱动脉冲计数&’实际位置计数器%对外部编码器计数&和比较寄存器$实现位置的闭环控制)各轴都有+个通用输入%可用于限位’原点信号输入&和+U\个通用输出)

技术创新

&3456785’,"#34567885498:;:<=:;67<$%>?9@"A’(/.BC9@DE5C35C74FE5C658@:;<D9GD374H54I:;67J/()$*+,98:-’.&(H54:83769:E3K435875;+:L78I5@95;65;@45EC9@D$:L78E9;M7<I5@95;J,85EK@95;5HI5@95;65;@45EE749;@7G4:@7<C9@D/()$*+,:;<,"//(B0.(%%1%9834787;@7<JND7D:4<C:47:;<85H@C:478@4K6@K475H@D765;@45EE749834787;@7<J,;:33E96:@95;7L:I3E798<986K887<F9;CD96D@D765;@45EE7498K87<@565;@45E)2@C5:L78;KI7496:E874=53E:@H54IJ9:;<=6>4’?=5@=A8=A56=BCDEFCAG?:6@87B8=A56=B

J&KD微控器L"E//1/

0.(%%1%是.D9E938公司推出的基于支持]N,^的*YU$%位,"/_N‘/A>’工业级!"/微控制器$片内带有%WYMa高速bE:8D"P/和*YMa静态",/$且具有外部存储器接口)通过片内.00可实现最大为YV/Z[的c.B操作频率)0.c%%1%采用*++脚0db.封装$内含%路c,O’\路*V位,‘c’%个$%位定时器’Y路.e/通道’实时时钟’看门狗’1个外部中断以及多种串行接口R包括%个*YcWWV工业标准B,"N’A%c接口和’.A接口T等功能模块$这使它特别适用于工业嵌入式控制应用)

(引言

运动控制系统广泛应用于现代制造加工业+机器人’电子机械’纺织机械’食品加工’办公设备’家用电器等)控制是为了实现预期运动轨迹和速度’加速度’力等运动参数而采取的必要手段)运动控制器为实现运动控制提供了一个基础平台$在这个平台上可以方便地实现对多个电机的协调控制)发挥,"/微控器与/()$*+,各自的优势$将两者有机融合可方便地构成高性能的运动控制器)

M运动控制器的基本构成

+J*硬件系统

,"/微控制器0.c%%1%通过*Y位数据总线与/c)$*+,相连$如图*所示)0.c%%1%的AUP运行电压是$J$Q的%但能承受WQ电平&$而/c)$*+,是WQ电压的$两者互连时$可串入*M!电阻)应用实践表明0.c%%1%和/c)$*+,直接相连也是可行的)两者互连后$且将/c)$*+,的f).0’O引脚’Z*Y0\引脚’Nf’NO引脚接"WQ电压$"f’fNO引脚连接低电平复位电路$(0g引脚接*Y/有源晶振时钟$Q‘‘引脚接上"WQ电源$/()$*+就具备了最基本的运行条件)微控器就可通过外部存储器接口$对/()$*+,进行读写操作$实现相应的功能)

图*中虚线框内表示+轴中的某一轴的接口))..U)./引脚工作在(eU((e模式时输出正U反驱动脉冲$在脉冲U方向模式时输出驱动脉冲和方向信号)f(,Uf(XUAOV接收编码器的反馈输入),/%Y0’$*是+路差动线驱动器$,/%Y0’$%是+路差动线接

电话#０１０－６２１３２４３６$６２１９２６１６%Ｔ／Ｆ&

!ＰＬＣ技术应用２００例"

/DEH%(I&的主要功能

/()$*+,是日本OPQ,公司推出的+轴运动控制专用-’.集成电路$能用于步进电机或脉冲型伺服驱动的位置’速度和插补控制$可用于工业自动化设备’工业机器人’测量设备’办公设备和家用电器等)其可以进行各轴R)轴’2轴’S轴’B轴T独立的定位控制’速度控制$也可在+轴中选择任意的%轴作圆弧插补’%U$轴作直线插补$插补精度是!VJW0’X)默认输入时钟为*Y/Z[$脉冲输出速度最高可达+/..’$输出脉冲范围为$%位)余张国’讲师

西南科技大学青年基金资助项目%N9)M%)/%&

中国自控网#ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ．ｃｏｍ．ｃｎ>元／#

ＡＲＭ应用

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收器’

#5CD#52系统融合’542控制器可方便地把#5CD#52系统产生的:)2数控代码直接转换成2#E-/;5的命令’2#E-/;5执行命令"产生控制脉冲给伺服驱动器"驱动机械部件形成期望的运动’

;F$软件系统

!"#$$%$要完成通信)人机交互)运行控制算法产生控制指令)2#E-/;5的读写操作等多任务’在控制器中嵌入实时多任务!#DB+766操作系统给软件系统设计带来便利"移植的技术细节参见文献’下面主要讨论2#G对2#E-/;5的控制’

操作2#E-/;5对于程序设计来说就是按一定的时序读写其内部的寄存器’2#E-/;5可*写+的寄存器有!命令寄存器H41"模式寄存器H4/I-"输出寄存器H4;"插补模式寄存器H48"数据寄存器H40"J,可*读+的寄存器有!主状态寄存器441"状态寄存器44/"8"数据寄存器440"J’

的运动控制参数(如轨迹坐标)运动参数$’&’()*存储器采用++,-%.&/01($23$"+452采用6+0/!.7$80/05!(8/$93$"液晶模块采用+2:$;1/$<5’为便于与上位系统和其他控制器间通信"控制器设计有

4+$-$)#5=和以太网通信功能’#5=收发器采用,>5/181"4+$-$电平与-?-.电平转换6#采用+"-$-$@"以太网接口控制器采用4,!<1/%5+’通信接口可以根据需要增减"如可用+:+7,AB2+B=公司的专用+@4#B+接口控制芯片+@4#B=;/13扩展+@4!#B+接口’通过这些通信接口"运动控制器可直接与

542处理器将6DB端口和存储器统一编址"可将2#E-/;5接于!"#$$%$的3(KL$存储器组M地址范围是1N<$11O1111I1N<$PPOPPPPQ"即将#+$作为2#E-/;5的片选信号"那么H41和441的地址是1N<$11O1111"记为5RRS’那么"H4/和44/的地址是5RRST$"依此类推"H4J和44J的地址是5RRST1N1U’为了使!"#$$%$提供/0位的总线接口"需要在其启动代码中设置"6=+@!$V1N1P</;%/;O3#&:$V1N/111PPUP’图$是2"G操作2#E-/;5的流程图’

文献提供了基于#语言的示例程序"但542开发套件5C+/F$M#WRUH(SSXWSPWS542CUYU’WZUS+[X\UQ没有提供W[\Z]和XKZ]函数’下面提供这两函数的源代码"这样"文献的程序可方便地移植到542中’

YWXRW[\Z]M[K)X^KURXK\(RRSO[K)X^KUR)*WS\R(\(Q_YW’(\X’U[K)X^KUR)*WS\‘Z\Sa

Z\SVMYW’(\X’U[K)X^KUR)*WS\‘Q(RRSa‘Z\SVR(\(ab

[K)X^KUR)*WS\XKZ]M[K)X^KURXK\(RRSQ_YW’(\X’U[K)X^KUR)*WS\‘Z\Sa

Z\SVMYW’(\X’U[K)X^KUR)*WS\‘Q(RRSaSU\[SK‘Z\Sab

技术创新

图$2#E-/;控制程序流程图

电话!０１０－６２１３２４３６"６２１９２６１６#Ｔ／Ｆ$嵌入式系统应用精选２００例&

图-Ec伺服平台E轴驱动原理图

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中文核心期刊!微计算机信息"（嵌入式与ＳＯＣ）２００５年第２１卷第９－２期

!!!!在"#两轴数控伺服工作台中的应用

!"两轴工作台是采用滚珠丝杆和滚动导轨传动的十字工作台%!’"两轴垂直&(!’"两轴两端各有#个限位开关)采用松下交流伺服电机%型号$%!$&’(()*+$功率(,’-$额定转速.,,,/0123$额定转矩,45671&驱动工作台运动$电机驱动器采用松下伺服驱动器8%9),:;)<))采用光电编码器作为位置反馈器件%伺服电机同轴安装<<线:=,,>0/增量编码器&)

图;是该平台的!轴驱动原理图$"轴驱动与!轴驱动电路相同)图中8为伺服电机$?+是编码器)

将伺服驱动器的*控制模式+设置为*位置控制+$把指令脉冲设置为*+-0++-+方式)@>+::A:按流程图操作8+!;*6)$设置相应的运动参数$写入功能命令$即可完成对平台的运动轨迹控制)

每传完一缓冲区$e%fhQSU9/2iV/回调%+IJJ!fIXj&一次客户驱动程序$e%f带宽按每*1S传送*帧数据来分配$要实现[jhN采样频率’[c2US编码的音频>+8码流传输$帧数据包大小必须设为[fLUVS$若设置C个缓冲区交替工作$每缓冲区分:,帧传送F则B23PfMggV/的大小为kC,fLUVS$那么e%f主控制器每

:,1S的频率中断回调一次客户驱动程序是合适的)

驱动程序通过lQ%VU+Q1bJVU2Q3BQMU23VY\函数给每个lB>设置回调函数入口地址$每完成一个lB>缓冲区数据传送操作$回调一次该地址指向的函数$以便把下一缓冲包数据压入到lB>栈$直到全部数据流传送完毕或人为终止传送)

K结束语

扩展e%f接口$大幅提升了;:位)B8嵌入式系统数据通信的吞吐能力$有即插即用特性和多种数据传输模式$方案适合于嵌入式系统的多种应用)文章具体阐述了方案硬件’软件设计的关键问题$并讨论了如何分配e%f总线带宽$实现恒速音频>+8码流传送$实验结果表明该方案能流畅地接收-23!

$结束语

技术创新

运动控制系统应用广泛)以运动控制器作为相对独立的标准部件可以明显缩短新产品的研发周期$尽快将产品投入市场)以)B8微控器和8+!;*C)为核心的嵌入式运动控制器$具有高速度,高精度’高效率’高可靠性’成本低等特点和优势$是运动控制器的一种良好的解决方案)在数控机床等数控装备’机器人等领域有重要应用价值)

参考文献

D*E叶佩青F汪劲松48+!;*C运动控制芯片与数控系统设计D8E4北京G北京航空航天大学出版社F:,,:

WQTS:,,,通过e%f接口输出话音编码信号$方案可行$具有较高参考价值)

参考文献#

D*Ee32iV/IJ%V/2IJfMS%bVX2g2XIU2Q3BVi2S2Q3*4*Fe%fm/P4F*ZZ[4D:E>l9e%f9*:9IUISOVVUF>O2J2bS@UW4F*ZZ[4

D;E%;+CCf,!Bl%+82X/Qb/QXVSSQ/9IUISOVVUF%I1SM3P@UW4$:,,*4

DCE9*:%8)Bn套件用户指南$广州周立功单片机技术有限公司$:’’;4

作者简介#吴君钦$<Zkk4;4Z$男$汉$硕士-专业#光电子技术-职业#高校教师$主要从事电子信息工程0通信工程专业的教学和电子信息系统的应用研究)?a8I2J

D:E周立功4)B8嵌入式系统系列教程D8E4北京G北京航空航天大学出版社F:,,=

作者简介G余张国%*AH=4A!&$男$讲师$硕士生$主要研究方向为计算机控制’机器人控制与应用)-?1I2JKLMNOI3PPMQRSTMSU4VWM4X3)李众立Y<ZC[!\$男$教授$研究生导师$主要研究方向为计算机控制与网络通讯’智能机器人系统)?1I2JKJNJ]STMSU4VWM4X3

%&’()*+,’*)-&.’+),/"M^OI3PPMQY<Z_‘4Za\F8I3FJVX!UM/V/FbQSUP/IWMIUVSUMWV3U48I2323UV/VSUSI/VXQ1bMUV/XQ3U/QJF/QcQUXQ3U/QJI3W2UdSIbbJ2XIU2Q3S4

%012323绵阳市西南科技大学&余张国李众立李磊民

通信地址/4$12323四川省绵阳市西南科技大学信息工程学院5余张国

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4MN2333江西省赣州市红旗大道O0号江西理工大学!NP信箱H吴君钦

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Y接第‘[页\作者简介#周先谱F北京科技大学博士生F内蒙古科技大学副教授$V1I2JKIIIIIrb]S23I4XQ1-童朝南F北京科技大学博士生导师教授-尹晓杰F北京科技大学硕士生)

Y接第[;页\e%f主控制器可以不间断输出实时数据)B23PfMggV/的大小按下式计算#

每帧字节数"每缓冲帧数"缓冲区数-中国自控网#ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ．ｃｏｍ．ｃｎa元／#Q2333OM北京科技大学H周先谱童朝南尹晓杰42333N2内蒙古科技大学科技中心H周先谱通信地址/

42333N2内蒙古科技大学科技中心H周先谱

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电话#０１０－６２１３２４３６$６２１９２６１６%Ｔ／Ｆ&

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