傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)通常是在通用計算機或工控機的基礎上加裝運動控制卡,使用Windows操作系統(tǒng),并安裝昂貴的數(shù)控軟件構成的。此類系統(tǒng)成本高,功耗大,不太適合中小規(guī)模的應用場合。而嵌入式產(chǎn)品具有系統(tǒng)結構精簡、功耗低等特點,能彌補傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的不足。
目前,嵌入式數(shù)控系統(tǒng)主要有兩種形式:完全依靠嵌人式處理器控制的系統(tǒng)以及嵌入式處理器和運動控制芯片相結合的系統(tǒng)。與前者相比,后者南于采用了專業(yè)的運動控制芯片,在實時性和精度等方面的表現(xiàn)更好,因而成為未來的一個發(fā)展方向。本文介紹了一種基于ARM控制器和FPGA運動控制芯片的主從式數(shù)控系統(tǒng),希望能為AR M在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的應用提供一些參考。
1 總體設計
本系統(tǒng)為主從式結構。上位機以S3C2410 ARM9控制器為核心,移植Linux系統(tǒng)和QT/Embedded圖形庫,主要實現(xiàn)G代碼文件處理、加工位置的顯示、手動控制等人機交互功能。下位機以$3C44B0 ARM7控制器為核心,斯邁迪的SM5004 FPGA芯片為運動控制器,實現(xiàn)電機驅動、冷卻液開關、緊急停止等機床控制功能。上下位機通過CAN總線通信。
2 硬件設計
2.1CAN接口設計
由于S3C2410和S3C44B0不帶CAN接口,所以必須對其進行擴展。S3C2410的CAN 擴展接El如圖1所示,S3CA4B0的CAN接口與其相似。
系統(tǒng)的CAN控制器使用MCP2510芯片。MCP2510的復位引腳RESET與$3C2410的復位引腳nRESET相連,片選引腳CS與S3C2410的GPH0相連。OSC1和OSC2引腳連接一個16M 的晶振作為時鐘源。SI、SO和SCK分別與S3C2410的SPI El MOSIO、MISO0和SPICLKO相連。如果SPI口被其它設備占用,也可用其它的I/O El代替,但要編寫軟件算法來模擬SPI的讀寫操作。系統(tǒng)采用中斷方式讀寫MCP2510,因此它的INT引腳與S3C2410的外部中斷引腳EINT4相連。在外部中斷引腳資源比較緊張的情況下,也可使用查詢方式讀寫MCP2510,此時INT可以懸空。
系統(tǒng)的CAN 收發(fā)器使用TJA105O芯片,該芯片的TXD和RXD與MCP2510的TXCAN和RXCAN相連,Rs引腳連接的斜率電阻為1K。
TJAlOS0輸出CANH、CANL差分信號,通過J1001插口接人物理線路。
2.2輸入輸出接口設計
S3C44B0 ARM 和SM5004 FPGA芯片提供了很多通用輸入輸出接口,為了有效的防止干擾進入系統(tǒng),這里采用了光耦隔離,如圖2所示。
在低速開關量中,由圖2(a)可以看出,這里采用貼片低速光耦MOCD217一M。它是Motorola公司的產(chǎn)品,是具有低輸入電流的雙路光耦。之所以這里在接人輸入口之前加入電阻R3,是因為ARM 中的部分I/0 口是開漏式的,防止在輸入輸出過程中電流過大,將相應口燒壞。如圖2(b)在高速開關量中,采用HC—PL0661雙路光耦進行擴展,它是Agilent Technologies公司的產(chǎn)品,其開關速率可達到1O M左右,可應用于各種高速脈沖輸入輸出的場合。
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3 軟件設計
31人機交互與G代碼解釋
人機交互界面如圖3所示。陔界面是用QT/Embedded嵌人式罔形庫設計的。QTEmbedded 是由-rroll—tech公司的嵌入式GUI開發(fā)T具,控件豐富,并且支持虛擬幀緩沖。通過該界面可以實現(xiàn)編輯G代碼,語法檢查、預覽加1 軌跡、與下位機通信等功能。
G代碼解釋的原理如同4所示。程序中定義了兩個數(shù)據(jù)結構PreGCode和GCode分別用來保存語法檢查后的中間結果和數(shù)據(jù)分析后生成的G代碼類型、節(jié)點坐標、圓弧半徑等數(shù)據(jù),供仿真和加工使用。
3.2CAN通信
本系統(tǒng)使用CAN控制器MCP2510完成CAN總線幀的發(fā)送和接收任務。通信數(shù)據(jù)分為命令幀和數(shù)據(jù)幀兩種。通信協(xié)議利用了CAN總線的29位擴展標識符保存了一些協(xié)議中必要的信息,如表1所示。由于CAN支持多主機和多從機模式,所以為源設備和目的設備地址分配了ID,以區(qū)分數(shù)據(jù)的來源和目的地。數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)量較大,必須分批傳送,所以標識符里還包含了數(shù)據(jù)包分組號,用來排序。
系統(tǒng)使用中斷模式傳輸數(shù)據(jù),共開啟4項中斷,分別為錯誤消極中斷、錯誤報警中斷以及發(fā)送中斷和接收中斷。如果為前兩種中斷,程序將復位MCP2510芯片。如果為發(fā)送中斷,則表示發(fā)送完畢,程序將置位發(fā)送中斷標志位以通知主程序。如果為接收中斷,程序將檢查標識符的ID28一ID21,判斷該幀的類型,然后根據(jù)幀的類型分別進行處理。
3.3插補算法
SM5004芯片是斯邁迪公司的一款高性能運動控制FPGA芯片,能夠實現(xiàn)4軸聯(lián)動,驅動脈沖頻率高達5MPPS,插補精度高達0.5I SB,單次輸出脈沖數(shù)高達2G,支持4種插補模式:直線插補、圓弧插補、連續(xù)插補和位模式插補。
對于直線和圓弧,SM5004有自己的插補算法,只要提供終點坐標、速度等插補所需的參數(shù),SM5004就能自動完成插補。
位模式插補是把高位CPU計算的插補數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的方式接收后,以指定的驅動速度連續(xù)輸出插補脈沖。位模式插補的原理是在每個寄存器上2軸或3軸的+/一方向驅動脈沖設定為1位1脈沖,輸出驅動脈沖時設定為1,不輸出脈沖時設定為0。位模式插補提供了一種靈活的插補機制,用戶可以自己編寫直線、圓弧、樣條曲線、函數(shù)曲線等各種曲線的插補算法。程序使用數(shù)字積分的方法實現(xiàn)了直線和二次曲線的插補。數(shù)字積分插補(又稱DDA插補)的原理如圖5所示。通過將積分區(qū)間[a,b]分割成足夠小的區(qū)間△f,將函數(shù)y=f(t)的積分運算變?yōu)樽兞康那蠛瓦\算,即
數(shù)字運算時,At一般取最小單位“1”,即一個脈沖當量,則:
數(shù)字積分法插補器的關鍵部件是累加器和被積函數(shù)寄存器,每一個坐標方向就需要一個累加器和一個被積函數(shù)寄存器。一般情況下,插補開始前,累加器清零,被積函數(shù)寄存器分別寄存X和Y ;插補開始后,每來一個累加脈沖△£,被積函數(shù)寄存器里的內(nèi)容在相應的累加器中相加一次,相加后的溢出作為驅動相應坐標軸的進給脈沖Ax(或Ay),而余數(shù)仍寄存在累加器中;當脈沖源發(fā)出的累加脈沖數(shù)m恰好等于被積函數(shù)寄存器的容量2 時,溢出的脈沖數(shù)等于以脈沖當量為最小單位的終點坐標,刀具運行到終點。數(shù)字積分法插補第1象限直線的程序流程圖如圖6所示,插補軌跡如圖7所示。
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4 結束語
ARM 結合FPGA 運動控制芯片的方式,既能發(fā)揮ARM 運算速度快、硬件資源豐富的優(yōu)勢,又能利用FPGA出色的運動控制功能。相比與傳統(tǒng)的純ARM 控制的數(shù)控系統(tǒng),在實時性、控制精度等方面更具優(yōu)勢,是未來嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。
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