1 引言
這篇文章提出了一種根據(jù) arm9系列 s3c2410嵌入式微處理器和 dsp運(yùn)動(dòng)操控芯片 mcx314as的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中 s3c2410處理器是典型的 32位 r isc芯片 ,具有體積小、 功 耗 低、 運(yùn) 算 速 度 快、 片 內(nèi) 集 成 度 高 等 優(yōu) 點(diǎn)。mcx314as是日本 nova公司推出的 4軸運(yùn)動(dòng)操控的dsp集成電路 ,通過這個(gè)集成電路能夠操控步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或有脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 4軸的方位、 速度和插補(bǔ)。選用s3c2410和 mcx314as規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的方案 ,具有高集成度、 高可靠性和低成本等顯著特點(diǎn)。
2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)
嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)與典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同 ,主要有輸入輸出裝置、 數(shù)控制裝置、 驅(qū)動(dòng)控制裝置和機(jī)床電器邏輯控制裝置四部分組成[ 4 ]。圖 1為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系總體結(jié)構(gòu)圖。在圖 1中 , pc機(jī)用虛線圍起來 ,是因?yàn)?pc機(jī)不是該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的主要組成部分 , pc機(jī)的存在只是作為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái) ,或者在實(shí)際使用中作為數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工文件的輸入輸出裝置 ,也可以把 pc機(jī)和嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng) ,組成強(qiáng)大的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)。輸入裝置是將數(shù)控加工程序等各種信息輸入數(shù)控的裝置 ,輸入內(nèi)容及數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以通過輸出裝置觀察。我們設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的輸入裝置是鍵盤、 pc機(jī)或者各種 u盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備 ,輸出裝置是 lcd顯示屏。
體系硬件渠道由 arm9的 s3c2410主控板和 mcx314as運(yùn)動(dòng)控制板構(gòu)成 ,這樣分隔規(guī)劃有利于使整個(gè)數(shù)控體系的硬件體系結(jié)構(gòu)及各個(gè)模塊的接口模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。為將來模塊或許體系的硬件維護(hù)和升級帶來極大的方便。
mcx314as日本 nova電子有限公司研制的 dsp運(yùn)動(dòng)控制芯片 ,性能優(yōu)良、 接口簡單、 編程方便、 工作可靠 ,可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、 機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制[ 5 ]。
mcx314as是以單一芯片而可控制 4軸的脈沖序列輸出驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)、 步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制芯片 ,可以進(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、 速度控制 ,另一方面亦可在 4軸中任意的選擇 2軸或是 3軸來進(jìn)行圓弧、 直線、 位模式插補(bǔ)[ 1 ]。
在 arm9主控板上設(shè)計(jì)有一個(gè)總線接口電路 ,這個(gè)電路已經(jīng)把 s3c2410芯片上的一些信號(hào)線包括 16位數(shù)據(jù)線、 12位地址線、 片選信號(hào)和一些讀寫控制信號(hào)線引出來 ,方便用戶擴(kuò)展應(yīng)用電路。運(yùn)動(dòng)控制芯片 mcx314as與 s3c2410處理器的連接就是通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的總線接口電路 ,把兩者的數(shù)據(jù)線、 地址線、 讀寫控制線、 片選信號(hào)和中斷等信號(hào)連接起來。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ,如圖 2所示。從圖中可以看出 ,除了數(shù)控裝置采用了上下位分機(jī)的設(shè)計(jì)方法 ,在 arm9的主控板的設(shè)計(jì)上也采用了 arm9核心板和 arm9主控用戶板的這種分開的模塊化結(jié)構(gòu)。核心板是 arm9處理器的小系統(tǒng) ,只包括簡單的 s3c2410芯片、 ram和 rom存儲(chǔ)器;而用戶板可以靈活剪裁設(shè)計(jì) ,根據(jù)實(shí)際需要可以在板上設(shè)計(jì) lcd接口、 us b接口、 以太網(wǎng)接口、iis接口、 uart接口、 adc模數(shù)轉(zhuǎn)換接口以及 gprs等外部硬件接口[ 3 ]。核心板與用戶板兩者以標(biāo)準(zhǔn)的接口連接 ,有利于用戶的升級或二次開發(fā) ,用戶可以在不改變核心部分的情況下需只修改剪裁用戶板 ,或者在不改變用戶板的情況下更換核心板 ,就能夠開發(fā)升級嵌入式數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置的硬件。
總之 ,整個(gè)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)屬于典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ,使用基于 arm9和 mcx314as處理器作為數(shù)控系統(tǒng)控制核心 ,盡量使得系統(tǒng)的各功能部分模塊化 ,接口標(biāo)準(zhǔn)化 ,有利于系統(tǒng)的開放性的提高 ,易于維護(hù)和升級。在基于 arm9的嵌入式數(shù)控裝置中 ,硬件部分主要由arm9處理器 s3c2410和 mcx314as運(yùn)動(dòng)控制卡組成。以s3c2410處理器芯片為核心的板卡為上位機(jī) ,用于預(yù)處理、鍵盤、 顯示、 外部通訊等管理工作; 以運(yùn)動(dòng)控制芯片mcx314as及其外圍電路組成的板卡為下位機(jī) ,用于根據(jù)上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理然后輸出控制脈沖。運(yùn)動(dòng)控制器是系統(tǒng)的核心器件 ,完成系統(tǒng)的大部分功能。s3c2410與 mcx314as的信號(hào)連接圖如圖 3所示。由圖中可以看到 ,在那些互相連接的信號(hào)線之間都隔著一些寫著“s n74alvc164245” 的芯片 ,那是因?yàn)?s3c2410的i/o引腳的工作電壓是 313 v的 (按道理可以承受 5v電壓 ) ,而 mcx314as的工作電壓是 5v,為保險(xiǎn)起見 ,同時(shí)也為了增加信號(hào)之間傳輸?shù)目煽啃?,我們在兩者信號(hào)連接時(shí)加入了“s n74alvc164245” 的芯片來實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換 ,同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)[ 4 ]。