基于ARM 与MCX314As 的嵌入式数控系统设计.docx

基于ARM与MCX314As的嵌入式数控系统设计yangliu导语：本文提出了一种新的基于ARM与MCX314As的嵌入式四轴数控系统的设计。摘要：本文提出了一种新的基于ARM与MCX314As的嵌入式四轴数控系统的设计。该设计采用ARM处理器S3C2410为主CPU，运动控制芯片MCX314As为从CPU，并采用实时的Linux操纵系统，使得系统很好地进展多任务处理，并保证了运动控制的实时性。关键词：ARM；MCX314As；数控系统；Linux1.引言在本方案中，以ARM微处理器为核心主控板，配以运动控制芯片MCX314A和实时操纵系统Linux，构建数控系统的软硬件平台。ARM嵌入式平台凭借其强大的功能与良好的设备支持受到了普遍的关注，它采用5级流水线，具有指令和数据Cache,支持协处理器和片上调试。具有开发移植轻易、体积小、功耗低、运算速度快、实时性好等优点。MCX314As是日本NOVA公司推出的4轴运动控制专用DSPDigitalSingleProcessing集成电路,通过这个集成电路可以控制步进电机驱动器或者由脉冲型伺服电机驱动的4轴的位置、速度和插补。Linux操纵系统是一个免费的开放软件，源代码是公开的，它具有系统稳定、功能强大、应用软件多、简单易用、使用本钱低等优点。该系统设计方案从底层实现数控系统的软件和硬件的开放，这样就使数控系统具有更高集成度、更高可靠性、更低本钱、更友好的控制操纵界面、更多系统资源和更大内存成为可能。设计方案对开发具有自主知识产权的数控系统有一定的积极意义。2.数控系统硬件构造ARM处理器选用Samsung公司的S3C2410处理芯片。S3C2410是一款基于ARM920T内核的32位RISC架构的处理器。其体积小、低价格、低功耗、性能高，带有MMUMemoryManagementUnit功能，主频可达203MHz,还采用了AMBAAdvancedMicrocontrollerBusArchitecture的新型总线构造，支持Thumb16位/ARM32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MCX314As。MCX314As是一种功能特别强大的DSP运动控制芯片。芯片可以控制4轴X轴、Y轴、Z轴、U轴，可在4轴中选择任意的2轴作圆弧插补、2/3轴作直线插补，插补精度是±0.5LSB。默认输入时钟为16MHz，脉冲输出速度最高可达4MPPS，输出脉冲范围为32位。MCX314As还有伺服电机反应输入编码器信号、在位信号和报警信号、加/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。MCX314As能与8/16位数据总线接口，其所有的功能都是通过读写内部命令存放器、数据存放器、状态存放器和形式存放器而实现。各轴都有32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拟存放器，实现位置的闭环控制。各轴都有4个通用输入可用于限位、原点信号输入和4/8个通用输出。系统硬件采用主从式双CPU构造形式。主CPU为ARM处理器，用于键盘、显示、网络通讯等治理工作，而从CPU即为MCX314A运动控制芯片，专门负责运动控制的处理工作。ARM处理器S3C2410通过16位数据总线与MCX314As相连，控制系统硬件构造，如图1所示。ARM外部Flash存储器可用于存储需要固化的运动控制参数如轨迹坐标、运动参数。Flash存储器采用韩国三星半导体公司消费制造的K9F5608U0C64MNandFlash和1MBAMDNorFlash，SDRAM采用韩国当代公司消费制造的HY57V561620BT32M2，液晶模块采用NEC的3.5寸TFTLCD屏。为便于与上位系统和其他控制器间通讯，控制器设计有RS232和以太网通讯功能以及键盘和USB接口。以太网接口控制器采用CS8900A。ARM控制器可方便地向MCX314A发送执行命令，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。3.软件系统S3C2410要完成通讯、人机交互、运行控制算法产生控制指令、MCX314As的读写操纵等多任务。在控制器中嵌入实时多任务Linux操纵系统给软件系统设计带来便利，移植的技术细节参见文献1、3。下面主要讨论S3C2410对MCX314As的控制。操纵MCX314As对于程序设计来讲就是按一定的时序读写其内部的存放器。MCX314As可“写的存放器有：命令存放器WR0，形式存放器WR13，输出存放器WR4，插补形式存放器WR5，数据存放器WR67；可“读的存放器有：主状态存放器RR0，状态存放器RR15，数据存放器RR67。ARM处理器将I/O端口和存储器统一编址，将MCX314As接于S3C2410的Bank2存储器组，即将CS2作为MCX314As的片选信号，访问MCX314A存放器的根本地址为0x10000000，要留意0x10000000是按照硬件原理图的设计得到的，是MCX314As存放器WR0的物理地址。在Linux操纵系统中，运行在用户空间的应用程序所用的都是虚拟地址，编写驱动程序的时候，还需要利用ioremap函数把物理地址转换成虚拟地址来使用。那么WR0和RR0的地址是0x10000000，记为Addr。那么，WR1和RR1的地址是Addr+2，依此类推，WR7和RR7的地址是Addr+0x0e。图2是S3C2410操纵MCX314A的流程图4。4.结论MCX314As是一款功能强大的运动控制芯片，具有优秀的四轴控制及插补功能，为数控系统的研制提供了一个可选的较为方便可靠的底层控制单元。它丰富的功能简化了数控系统多项运动控制的实现。而ARM处理用具有强大的32位RISC性能，体积小、功耗低，是一款高性能的处理器。采用ARM处理器及运动控制芯片，能大量地减轻研发任务，进步研发速度，可以在短时间内得到高速度、高精度、高效率、高可靠性、本钱低的数控系统。而Linux实时操纵系统的参加，使得系统可以很好地进展多任务处理，并且保证了系统的实时性。参考文献1孙纪坤,张小全编著.嵌入式Linux系统开发技术详解基于ARMM.北京:人民邮电出版社,2006,82叶佩青,汪劲松编著.MCX314运动控制芯片与数控系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.113周立功.ARM嵌入式系统系列教程M.北京:北京航空航天大学出版社,20054余张国,李众立,李磊民.基于ARM和MCX314A的嵌入式运动控制器J.微计算机息,2005.100