嵌入式數控系統的硬件結構及設計與調試（一）
1 引言這篇文章提出了一種根據ARM9系列S3C2410嵌入式微處理器和DSP專用運動操控芯片MCX314As的精工系統設計。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 算 速 度 快、 片 內 集 成 度 高 等 優 點。MCX314As是日本NOVA公司推出的4軸運動操控的專用DSP集成電路,通過這個集成電路能夠操控步進電機驅動或有脈沖型伺服電機驅動的4軸的方位、 速度和插補。選用S3C2410和MCX314As規劃的經濟型精工系統的方案,具有高集成度、 高可靠性和低成本等顯著特點。2 嵌入式精工系統的硬件體系結構嵌入式精工系統的硬件體系結構與典型的運動控制系統的結構基本相同 ,主要有輸入輸出裝置、 精工制裝置、 驅動控制裝置和機床電器邏輯控制裝置四部分組成[ 4 ]。圖 1為嵌入式精工系統的硬件體系總體結構圖。在圖 1中 , PC機用虛線圍起來 ,是因為 PC機不是該嵌入式精工系統的主要組成部分 , PC機的存在只是作為嵌入式精工系統的開發平臺 ,或者在實際使用中作為精工系統的精工加工文件的輸入輸出裝置 ,也可以把 PC機和嵌入式精工系統進行聯網 ,組成強大的精工網絡。輸入裝置是將精工加工程序等各種信息輸入精工的裝置 ,輸入內容及精工系統的工作狀態可以通過輸出裝置觀察。我們設計的嵌入式精工系統的輸入裝置是鍵盤、 PC機或者各種 U盤等移動存儲設備 ,輸出裝置是 LCD顯示屏。體系硬件渠道由ARM9的S3C2410主控板和MCX314As運動控制板構成,這樣分隔規劃有利于使整個精工體系的硬件體系結構及各個模塊的接口模塊化和標準化。為將來模塊或許體系的硬件維護和升級帶來極大的方便。MCX314As日本 NOVA電子有限公司研制的 DSP運動控制專用芯片 ,性能優良、 接口簡單、 編程方便、 工作可靠 ,可廣泛應用于精工機床、 機器人等領域的運動控制[ 5 ]。MCX314As是以單一芯片而可控制 4軸的脈沖序列輸出驅動伺服馬達、 步進馬達的運動控制芯片 ,可以進行各軸獨立的定位控制、 速度控制 ,另一方面亦可在 4軸中任意的選擇 2軸或是 3軸來進行圓弧、 直線、 位模式插補[ 1 ]。在 ARM9主控板上設計有一個總線接口電路 ,這個電路已經把 S3C2410芯片上的一些信號線包括 16位數據線、 12位地址線、 片選信號和一些讀寫控制信號線引出來 ,方便用戶擴展應用電路。運動控制芯片 MCX314As與 S3C2410處理器的連接就是通過這個標準的總線接口電路 ,把兩者的數據線、 地址線、 讀寫控制線、 片選信號和中斷等信號連接起來。控制系統硬件結構 ,如圖 2所示。從圖中可以看出 ,除了精工裝置采用了上下位分機的設計方法 ,在 ARM9的主控板的設計上也采用了 ARM9核心板和 ARM9主控用戶板的這種分開的模塊化結構。核心板是 ARM9處理器的最小系統 ,只包括簡單的 S3C2410芯片、 RAM和 ROM存儲器;而用戶板可以靈活剪裁設計 ,根據實際需要可以在板上設計 LCD接口、 US B接口、 以太網接口、IIS接口、 UART接口、 ADC模數轉換接口以及 GPRS等外部硬件接口[ 3 ]。核心板與用戶板兩者以標準的接口連接 ,有利于用戶的升級或二次開發 ,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 ,就能夠開發升級嵌入式精工系統精工裝置的硬件。 總之 ,整個嵌入式精工系統的硬件體系結構屬于典型的運動控制系統 ,使用基于 ARM9和 MCX314As處理器作為精工系統控制核心 ,盡量使得系統的各功能部分模塊化 ,接口標準化 ,有利于系統的開放性的提高 ,易于維護和升級。在基于 ARM9的嵌入式精工裝置中 ,硬件部分主要由ARM9處理器 S3C2410和 MCX314As運動控制卡組成。以S3C2410處理器芯片為核心的板卡為上位機 ,用于預處理、鍵盤、 顯示、 外部通訊等管理工作; 以運動控制芯片MCX314As及其外圍電路組成的板卡為下位機 ,用于根據上位機的命令和數據進行計算和處理然后輸出控制脈沖。運動控制器是系統的核心器件 ,完成系統的大部分功能。S3C2410與 MCX314As的信號連接圖如圖 3所示。由圖中可以看到 ,在那些互相連接的信號線之間都隔著一些寫著“S N74ALVC164245” 的芯片 ,那是因為 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,為保險起見 ,同時也為了增加信號之間傳輸的可靠性 ,我們在兩者信號連接時加入了“S N74ALVC164245” 的芯片來實現電平的轉換 ,同時驅動信號[ 4 ]。