摘 要：基于MCU和DSP的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)性好而有良好的發(fā)展前景。由于PC機(jī)與MCU和DSP資源環(huán)境差異較大，進(jìn)行MCU和DSP環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究十分必要?；贛CU和DSP的運(yùn)動(dòng)控制研究硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)遵從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)放式、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向，選用主流的MCU及DSP芯片S3C2410A和TMS320F2812，適應(yīng)信息網(wǎng)、控制網(wǎng)和伺服網(wǎng)（接口）網(wǎng)絡(luò)化需求，采用雙層、組合式模式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)用可靠的硬件環(huán)境。它可以進(jìn)行單CPU、并行雙CPU和層次化多CPU的運(yùn)動(dòng)控制算法和系統(tǒng)支撐軟件的研究。 關(guān)鍵詞：MCU DSP 運(yùn)動(dòng)控制 硬件 0 引言 　　開(kāi)放式控制器體系結(jié)構(gòu)源于“開(kāi)放式”的PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）技術(shù)，目前的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器多為PC+運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)，隨著MCU（微控制器）和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）性能的增強(qiáng)，MUC和DSP取代PC的趨勢(shì)日趨明顯，而這種嵌入式的緊湊結(jié)構(gòu)較PC有更廣泛的環(huán)境適應(yīng)性。MCU、DSP和PC差異較大，PC環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不可能直接向MCU和DSP系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移，基于MCU和DSP硬件平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究十分必要。 1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與需求分析 　　1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展方向 　　在開(kāi)放式控制器技術(shù)的推動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的封閉式結(jié)構(gòu)朝著開(kāi)放、可重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。按照《開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 第1部分：總則》（GB/T 18759.1-2002）的定義[1]，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)有三個(gè)層次的開(kāi)放，第一層，系統(tǒng)功能可配置，人機(jī)界面、伺服驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)控制接口、邏輯控制單元接口均開(kāi)放;第二層，系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件接口開(kāi)放，第三方的應(yīng)用軟件能在系統(tǒng)中安裝運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)互操作性，且第三方的軟件模塊可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下對(duì)本系統(tǒng)軟件模塊置換和擴(kuò)展;第三層，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)。國(guó)標(biāo)GB/T 18759.1-2002尚未公布可重構(gòu)的詳細(xì)內(nèi)容。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)核心組件，其技術(shù)發(fā)展方向和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)類(lèi)似?，F(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制器聯(lián)通信息網(wǎng)、邏輯控制網(wǎng)和伺服控制網(wǎng)（接口）三種網(wǎng)絡(luò)。 　　1.2 在MCU和DSP環(huán)境中運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究課題 　　和PC相比，MCU和DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，流水線技術(shù)，超長(zhǎng)指令字，加乘器等提高CPU速度，并在片上擴(kuò)展了控制用前向和后向通道外設(shè)及通信接口，在這種環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制功能，下列研究是必要的： 　?、袤w系結(jié)構(gòu)的研究，以多CPU方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制; 　?、谇度胧较到y(tǒng)中實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的研究，解決MCU和DSP控制器系統(tǒng)軟件問(wèn)題; 　　③MCU和DSP環(huán)境中運(yùn)動(dòng)控制算法的研究，解決少資源情況下，復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題; 　?、苘浖K管理與剪裁技術(shù)的研究，解決通用技術(shù)方案的應(yīng)用針對(duì)性問(wèn)題; 　?、菥W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究：解決伺服通信網(wǎng)、邏輯控制網(wǎng)和信息網(wǎng)通信問(wèn)題。 　　1.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與結(jié)構(gòu)要求 　　基于MCU和DSP的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為上述研究課題提供硬件系統(tǒng)環(huán)境，以MCU或DSP為核心的商品化運(yùn)動(dòng)控制器并不少見(jiàn)，但它們只對(duì)用戶(hù)提供運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的接口，并不是完全意義上的開(kāi)放，必須開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制器的硬件研究平臺(tái)，并滿(mǎn)足下列要求： 　?、兕?lèi)型與結(jié)構(gòu)化模式要求：CPU選型應(yīng)是主流的MCU和DSP芯片,結(jié)構(gòu)體系采用單CPU,雙CPU流水線模式和層次化結(jié)構(gòu)，CPU可以獨(dú)立工作，可以組成流水線模式工作.也可以采用兩層結(jié)構(gòu),上下層分別處理不同實(shí)時(shí)要求的任務(wù)。 　?、陂_(kāi)放性要求：各CPU單元配置計(jì)算機(jī)通信接口，如RS232、PCI、CAN、USB等，可以方便地實(shí)現(xiàn)硬件互聯(lián)。 　?、劬W(wǎng)絡(luò)化要求：配有伺服單元接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口和以太網(wǎng)接口。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　2.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： 　　控制器聯(lián)通人機(jī)界面和三種網(wǎng)絡(luò)?？刂破髋c人機(jī)界面的聯(lián)接多采用開(kāi)放的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線ModBus等;控制器通過(guò)以太網(wǎng)接口與Internet/Intranet聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)與管理信息系統(tǒng)的交互;控制器多通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線如CAN、ModBus和RS485等與網(wǎng)絡(luò)化的PLC工作站通信，處理控制對(duì)象的大量I/O;控制器和高速伺服網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，傳送伺服放大器的控制信號(hào)，但該方案技術(shù)難度高，只有少數(shù)企業(yè)采用專(zhuān)用的高速伺服通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的組網(wǎng)，多數(shù)方案還是采用的規(guī)范化的電機(jī)接口，一個(gè)伺服電機(jī)的接口如下： 　?、?2路脈沖波形輸出，其間相位差900，或者其中一路可以作為方向信號(hào)（高或低）; 　?、?1路AD輸出，一般為±10V,位數(shù)為12位或16位; 　?、?2路增量編碼器脈沖輸入，一路來(lái)自伺服電機(jī)，另一路來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)終端; 　?、?3路數(shù)字信號(hào)輸出，包括伺服使能、正轉(zhuǎn)限制、反轉(zhuǎn)限制; 　　⑤ 4路數(shù)字信號(hào)輸入，包括伺服準(zhǔn)備好、左極限、右極限和零位信號(hào); 　　上述接口電路也可以聯(lián)接步進(jìn)電機(jī)。 　　運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)如圖2所示： 　　上層控制器處理復(fù)雜控制算法及弱實(shí)時(shí)任務(wù)，下層控制器處理插補(bǔ)與伺服控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)。兩個(gè)DSP構(gòu)成雙DSP流水線模塊，并行處理復(fù)雜實(shí)時(shí)控制任務(wù)。 　　2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 　　2.2.1 主芯片選型 　　MCU與DSP芯片選型的原則是適用與廣泛性原則，選用的芯片適用于開(kāi)放式控制器設(shè)計(jì)并有廣泛的硬件與軟件資源。三星公司S3C2410A芯片采用ARM920T內(nèi)核，主頻高達(dá)266MHz，支持WinCE與Linux及μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可擴(kuò)展的地址空間1G，并配有中斷、AD、UART、GPIO、觸摸屏和TFT接口等片上外設(shè);德洲儀器公司的TMS320F2812DSP芯片的主頻150MHz，支持DSP/BIOS和μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可擴(kuò)展的地址空間為1M，并配有中斷、AD、串行接口、事件管理器等片上外設(shè)。這兩種CPU中，S3C2410A主要用于控制系統(tǒng)管理、監(jiān)控和復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)，DSP主要用于伺服電機(jī)接口和反饋、濾波等強(qiáng)實(shí)時(shí)控制算法的實(shí)現(xiàn)。 　　2.2.2 硬件系統(tǒng)配置 　　整個(gè)研究平臺(tái)硬件配置了三塊主機(jī)板和一個(gè)背板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示： 　　三塊主機(jī)板可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，它提供了MCU和DSP及雙DSP的硬件平臺(tái)S3C2410A。主機(jī)板的USB是Host，另兩塊板的USB是Device配置，另外，S3C2410A主機(jī)板和F2812主機(jī)板還通過(guò)背板有串口通信、GPIO及中斷溝通，可以組合成一個(gè)以S3C2410A主機(jī)板為上位機(jī)，F(xiàn)2812-1和F2812-2主機(jī)板為下位機(jī)的雙層結(jié)構(gòu)，S3C2410A主機(jī)板處理弱實(shí)時(shí)任務(wù)，DSP處理強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù); 　　弱實(shí)時(shí)任務(wù)包括系統(tǒng)監(jiān)控、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜控制算法，強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)包括插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)字濾波和PID控制等算法。由此來(lái)驗(yàn)證MCU和DSP環(huán)境中的算法可行性。 　　2.2.3 CPU擴(kuò)展與外設(shè)配置 　　文獻(xiàn)[2][3]是S3C2410A和F2812芯片典型的擴(kuò)展實(shí)例。針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，S3C2410A主機(jī)板原理框圖如圖4所示。選用兩片HY58V561620CT-H，構(gòu)成16M×32位RAM空間;選用兩片E28F128J3A150，構(gòu)成16M×32位Flash空間;CPLD選用XC9536，用于GPIO地址譯碼和QEP接口的實(shí)現(xiàn)，選用DAC8534A串行16位DAC擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換接口，采用CS8900A以太網(wǎng)芯片擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口。 　　F2812-1主機(jī)板原理框圖如圖5所示，選用IS61V5126，擴(kuò)展256KROM空間，選用AM29LV800BT擴(kuò)展512KFlash，選用XC95144XL進(jìn)行GPIO地址譯碼，選用AN2131Q作USB Device的擴(kuò)展，在McBSP串口上擴(kuò)展16位DAC8534A用于伺服的速度與力矩控制。特別的，F(xiàn)2812提供了完善的伺服電機(jī)接口，它有兩個(gè)事件管理器，每個(gè)事件管理器包括兩個(gè)通用計(jì)數(shù)器，三個(gè)比較/PWM單元，三個(gè)捕捉單元，QEP通道。PWM和通用計(jì)數(shù)器配合可用作伺服控制器的位置控制模式輸入，QEP通道可用作伺服電機(jī)的位置編碼器脈沖輸入，執(zhí)行器終端的編碼器信號(hào)通過(guò)CPLD擴(kuò)展QEP輸入。 　　F2812-2主機(jī)板原理框圖如圖6所示，為了驗(yàn)證多電機(jī)的并行控制算法，在F2812-1主機(jī)板的基礎(chǔ)上，用雙口RAMIDT70V25將兩個(gè)CPU聯(lián)接起來(lái)，形成了一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。按目前板上的電機(jī)接口配置，每塊板可接兩路全閉環(huán)伺服電機(jī)，F(xiàn)2812-2主機(jī)板可接四路全閉環(huán)的伺服電機(jī)。 [align=center] 圖6. F2812-2主機(jī)板原理框圖[/align] 3 結(jié)論 　　選用S3C2410A和F2812作運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的嵌入硬件研究平臺(tái)，組成一個(gè)多CPU的雙層控制器結(jié)構(gòu)，既可以單獨(dú)進(jìn)行單MCU和DSP環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制算法研究，又可以進(jìn)行多CPU平行模式的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究。系統(tǒng)簡(jiǎn)練、可靠，符合運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式、可重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開(kāi)放式、可重構(gòu)、多CPU的運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)，該平臺(tái)可用于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。 參考文獻(xiàn) 　　1.中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 《開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 第1部分：總則》（GB/T 18759.1-2002）.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.北京.2002.10 　　2.馬洪連，丁男，林曉惠?；赟3C2410的煙氣采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。微計(jì)算機(jī)信息，2006.11.107-109 　　3.尤麗艷，殷蘇民?；贒SP的高速運(yùn)動(dòng)控制器。機(jī)電一體化，2002.3.70-73.