摘 要：本文綜合運用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和運動控制技術(shù)，采用X86架構(gòu)的PC104作為核心中央處理器的方案，詳細(xì)介紹了嵌入式運動控制器的硬件設(shè)計，及如何使用Windows CE Platform Builder開發(fā)平臺，進(jìn)行裁減和定制嵌入式運動控制器的Windows CE操作系統(tǒng)平臺，進(jìn)行軟件設(shè)計。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，運動控制器，自動控制 1 引言 　　目前，嵌入式技術(shù)已成為通訊、控制和消費類產(chǎn)品的發(fā)展方向，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它的開發(fā)應(yīng)用已被列入國家重點科技發(fā)展計劃，以其體積小、功能強、價格低的優(yōu)勢而得到日益廣泛的應(yīng)用，已成為工業(yè)自動化應(yīng)用的一種趨勢。 　　運動控制器技術(shù)，是綜合應(yīng)用自動控制、計算機控制等相關(guān)技術(shù)，對機械傳動裝置中電機的位置、速度進(jìn)行實時的控制管理，使運動部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)完成相應(yīng)的動作。嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器把計算機嵌入到運動控制器中,能夠獨立運行,它與計算機之間的通信采用了可靠的總線連接方式（采用針式連接器） ,更加適合工業(yè)應(yīng)用。 2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計 　　嵌入式運動控制器主要包括兩個部分：嵌入式CPU主板和運動控制模塊[1][2][3][12]。運動控制模塊可采用固高科技有限公司的高性能運動控制板卡，在高性能運動模塊的基礎(chǔ)上，對嵌入式處理器部分有嚴(yán)格的要求，例如：對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間;具有功能較強的存儲區(qū)保護(hù)功能;可擴展生長的處理器結(jié)構(gòu)，能迅速地開發(fā)出滿足各種應(yīng)用性能的嵌入式微處理器;功耗很低等等。 [align=center] 圖 1 PC104模塊[/align] 　　可選的方案包括：1）基于單片機，適合于數(shù)據(jù)量小、速度較低、功能簡單的現(xiàn)場控制，無法勝任要求高速、高精度的運動控制器。 2）基于ARM架構(gòu)或其他微控制器，優(yōu)勢在于簡單的設(shè)計和高效的指令集，但是目前對現(xiàn)有通用軟件的兼容性不理想，必須培訓(xùn)專門的軟件人員。 3）PC104的X86架構(gòu)，即X86體系結(jié)構(gòu)的CPU，主要是Intel公司的CPU，也包括AMD、威盛、ICOP（昭營科技）等公司與其兼容的CPU。通過PC104總線，連接X86架構(gòu)的PC機主板與運動控制板卡，組成嵌入式運動控制器。在非常成熟的運動控制板卡技術(shù)的基礎(chǔ)上，這種形式的嵌入式運動控制器實現(xiàn)簡單，開發(fā)時間較短。 　　因此選用了ICOP-6070嵌入式主板作為系統(tǒng)核心，具體接口見圖 1。除了核心控制模塊外，就是運動控制模塊，它是具體動作的執(zhí)行者。嵌入式PC104主機板通過插件直接插裝在運動控制卡上，運控卡上有兩個DB62插座，連接到端子板上，再由端子板給出控制電機信號。由于運動控制器和計算機模塊之間分別采用插針式的連接，相互獨立，運動控制器和PC板都可以作為一個獨立的模塊，生產(chǎn)升級容易，維修方便，可靠性也相對較高。 　　圖 2為嵌入式PC104主板和運動控制卡之間機械連接示意圖。 [align=center] 圖 2 核心模塊與運控模塊的連接示意圖[/align] 　　系統(tǒng)的完整構(gòu)建過程如下： 　　（1） 將ICOP-6070嵌入式主板與固高運動控制卡通過PC104接口裝在一起。 　　（2） 然后將外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備接到嵌入式主板上。 　?。?） 其次通過兩個根62PIN的數(shù)據(jù)線將固高IO端子板和固高控制卡接在一起。 　　最后將24V的輸入信號，輸入給固高IO端子板和嵌入式主板。 3 軟件平臺設(shè)計 　　工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的主要指標(biāo)是：實時性、高效率、安全穩(wěn)定性與可靠性以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于剪裁、良好的開放性?？晒┣度胧綉?yīng)用的圖形操作系統(tǒng)有多種，比如Windows CE、Palm OS等，而Palm OS一般只應(yīng)用在手持設(shè)備上。適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用（過程）標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，目前有Windows CE 和Linux等幾種。 　　WinCE是微軟開發(fā)的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，支持很多種嵌入式CPU（包括X86,arm等）。選擇Windows CE .net嵌入式操作系統(tǒng)，作為本嵌入式運動控制系統(tǒng)的操作平臺，最主要考慮Windows操作簡單實用，多任務(wù)的操作，功能的強大，性能的穩(wěn)定，最主要是Windows程序移植方便，熟悉Windows程序開發(fā)的人員，能夠迅速掌握Windows CE .net程序的開發(fā)，同時減少程序開發(fā)人員的難度。 　　3.1 操作系統(tǒng)平臺設(shè)計 　　為了能夠能在Windows CE .net操作系統(tǒng)，必須定制一個Windows CE .net操作系統(tǒng)平臺，平臺的生成可以使用Windows CE .net的工具Platform Builder 4.2。其生成平臺主要步驟如下： 　?。?） 將Windows CE .net 4.2的操作平臺裝入PC機。 　?。?） 將ICOP 6070的BSP程序安裝到PC機。 　?。?） 執(zhí)行“Platform Builder”，進(jìn)入平臺創(chuàng)建向?qū)υ捒颍c擊“NEXT”接鈕。 　　在此對話框，須要為ICOP主板選擇“ICOP_VORTEX86”BSP程序。 　?。?） 繼續(xù)點取“NEXT”按鈕，在對話框中，可以選擇“Industrial Controller”功能項。 　　當(dāng)嵌入式平臺創(chuàng)建成功后，則需要對此平臺進(jìn)行編譯設(shè)置;在采用平臺創(chuàng)建向?qū)傻囊粋€平臺后，可能此平臺存在不需要的文件信息，又或缺少相關(guān)文件。 　　為此，要對此平臺進(jìn)行刪除、添加相關(guān)文件，配置相關(guān)編譯信息。 　　（1） 手動添加對存儲硬盤和FAT文件系統(tǒng)的支持。先在目錄顯示區(qū)中的“Device Drivers” ->“Storage Devices”->“Storage Devices”找到“ATAPI PCI/IDE Storage Block Driver”信息，在此欄上點擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的對話框中，點取“Add to platform”一項，此時，此相關(guān)信息就被加入到平臺工程中。采用同樣方法，在目錄顯示區(qū)中的“Core OS” ->“Display based devices”->“File Systems and Data Store” ->“Store Manager”找到“FAT File System”信息，在此欄上點擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的對話框中，點取“Add to platform”，相關(guān)信息就被加入到平臺工程中。 　?。?） 需向平臺工程中加入對Windows SDK和MFC類庫的支持. MFC類庫支持在目錄顯示區(qū)中的“Core OS” ->“Display based devices”->“Applications and Services Development” ->“Microfot Foundation Classes（MFC）”。 　　（3） 嵌入式平臺的工程基本功能添加完畢后，就可以編譯此平臺。在編譯平臺之前，先進(jìn)行平臺設(shè)置，在“Platform Settings”對話框，選中選項“Enable Images Larger than 32MB”，保存更改設(shè)置。 　?。?） 編譯平臺，生成Windows CE .NET操作系統(tǒng)的映像文件 NK.bin。 　　（5） 完成了嵌入式平臺的工程，可以將NK.bin下載到主板運行，也以通過網(wǎng)絡(luò)下載到嵌入式主板上運行。 　　3.2 嵌入式運動控制器驅(qū)動程序 　　在使用運動控制器之前，必須先安裝運動控制器的驅(qū)動程序，這樣才可以正確使用運動控制器，加入此驅(qū)動程序的步驟如下： 　?。?） 將運動控制器驅(qū)動程序文件GooGolDriver.dll拷貝到平臺的Release目錄下。 　?。?） 在平臺編輯環(huán)境中打開工程中project.reg文件，將如下文本內(nèi)容復(fù)制到此文件中。 　　[HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\BuiltIn\GooGolDriver] 　　"Dll"="GooGolDriver.dll" 　　"Order"=dword:0 　　"Index"=dword:1 　　"Prefix"="GOL" 　?。?） 在平臺編輯環(huán)境中打開工程中project.bib文件，將如下文本內(nèi)容復(fù)制到此文件中。 　　GooGolDriver.dll $（_FLATRELEASEDIR）\GooGolDriver.dll NK SH 　?。?） 上述操作可用于注冊驅(qū)動程序和將驅(qū)動程序GooGolDriver.dll打包到映像NK.bin。驅(qū)動程序文件GooGolDriver.dll導(dǎo)出十個函數(shù)，用于提供給系統(tǒng)調(diào)用，函數(shù)分別如下：GOL_Close，GOL_Deinit，GOL_Init，GOL_IOControl，GOL_Open，GOL_PowerDown，GOL_PowerUp，GOL_Read， GOL_Seek， GOL_Write。這十個函數(shù)不能夠直接調(diào)用，Windows CE .NET有專用的API函數(shù)可以調(diào)用它們。 　　3.3 運動控制器動態(tài)鏈接庫安裝： 　　在使用運動控制器之前，須先安裝運動控制器的動態(tài)鏈接庫，才可以正確使用運動控制器。動態(tài)鏈接庫包含對運動控制器的運動函數(shù)指令，如直線運動指令GT_LnXYZ,圓弧運動指令GT_ArcXY等等。加入此驅(qū)動程序的步驟如下： 　?。?） 將文件gtdll.dll拷貝到平臺的Release目錄下。 　?。?） 在平臺編輯環(huán)境中打開工程中project.bib文件，將如下文本內(nèi)容復(fù)制到此文件中。 　　gtdll.dll $（_FLATRELEASEDIR）\gtdll.dll NK SH 　?。?） 上述操作可用于注冊驅(qū)動程序和將驅(qū)動程序GooGolDriver.dll打包到映像NK.bin中。 4 控制軟件的設(shè)計 　　構(gòu)建了系統(tǒng)軟件后，還需要進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)設(shè)計。嵌入式軟件的開發(fā)平臺有多種，較為常見的開發(fā)平臺為：eMbedded Visual C++,與Windows操作系統(tǒng)下的開發(fā)環(huán)境Visual C++非常類似，所以熟悉windows操作系統(tǒng)Visual C++開發(fā)環(huán)境的人能夠較快掌握eMbedded Visual C++。 　　使用eMbedded Visual C++開發(fā)之前先安裝嵌入式操作平臺的SDK，否則無法打開eMbedded Visual C++。構(gòu)建嵌入式操作平臺的SDK操作如下： 　　（1）Platform Builder平臺開發(fā)環(huán)境中，點取“Project”->“Configure SDK”,配置將生成的SDK。在配置對話框中，可以修改將導(dǎo)出的SDK的文件名及其存入目錄、相關(guān)信息。SDK的文件名為ICOP6072_SDK.msi。 　?。?）配置好SDK導(dǎo)出的相關(guān)信息后，再點取“Project”->“Build SDK”，在此對話框中，可以導(dǎo)出一個SDK，在配置文件設(shè)置目錄下，創(chuàng)建一個ICOP6072_SDK.msi的文件。 　?。?）在Windows操作系統(tǒng)下雙擊ICOP6072_SDK.msi文件，安裝Icop 5072的嵌入式系統(tǒng)的SDK。 　?。?）至此，嵌入式系統(tǒng)的SDK安裝完畢，eMbedded Visual C++可以在此SDK的基礎(chǔ)下開發(fā)程序。 　　本軟件最主要的功能通過運動控制器的運動指令的調(diào)用，來實現(xiàn)在運動控制器的使用，滿足具體的應(yīng)用中的控制過程。 　　工業(yè)控制軟件是工控系統(tǒng)中用于控制工業(yè)生產(chǎn)的軟件部分，其安全性和可靠性的要求是非常高了。本控制軟件除了具有工業(yè)控制軟件的基本特點之外，還需有具有以下特點：系統(tǒng)軟件的長期穩(wěn)定工作的特性;控制軟件實時性;控制軟件操作的實用性、簡單性; 　　根據(jù)工業(yè)控制軟件特點，因此本軟件中沒有豐富的圖形顯示界面，主要從功能實現(xiàn)、軟件穩(wěn)定性、控制的實時性、軟件操作簡單上編寫。以能夠完好的達(dá)到功能演示為目的編寫此程序。 　　在對嵌入式運動控制器操作之前，先必須初始化嵌入式運動控制器;為了更好的反應(yīng)當(dāng)前加工狀態(tài)，須要實時讀取當(dāng)前加工機床的實際位置，根據(jù)此位置信息，把實際的加工情況用簡單的三維圖形顯示出來。 5 小結(jié) 　　傳統(tǒng)基于PC的運動控制器，采用軟件實現(xiàn)的控制方法，無論性能如何提高，也不能勝任越來越高的高速高精度要求。嵌入式運動控制器的研究是一個系統(tǒng)的過程，為了確保性能的穩(wěn)定和可靠性，必須對軟硬件的設(shè)計有一個全面地認(rèn)識。本文提出的PC104設(shè)計方案解決了目前市場對嵌入式運動控制器的強大需求。本文的研究內(nèi)容將對今后的研究工作起到一定的指導(dǎo)作用。 6 結(jié)束語 　　本系統(tǒng)是固高科技有限公司目前在嵌入式運動控制領(lǐng)域開發(fā)出的一套功能強、性能穩(wěn)定、體積小、價格低、適合工業(yè)控制的運動控制系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)PC-Based 運動控制器基礎(chǔ)上的重要創(chuàng)新。本文的創(chuàng)新在于：目前對嵌入式控制器的應(yīng)用介紹得較多，沒能夠?qū)诵牡难邪l(fā)技術(shù)進(jìn)行研究;另外本文對嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)平臺Windows CE的研究，使得客戶現(xiàn)有的Windows下編譯的應(yīng)用軟件，可以很方便的移植到CE下使用，減少開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，快速見效益。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 趙明富， 嵌入式系統(tǒng)的總線技術(shù)及其應(yīng)用，微計算機信息，2005,21（06Z）.-42-44,3 　　[2] 余張國、李眾立、李磊民，基于ARM和MCX314A的嵌入式運動控制器，微計算機信息，2005，16 　　[3] 王田苗，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā). 清華大學(xué)出版社, 2002:36～44 　　[4] 居效密、張中能， 嵌入式數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)密集型軟件中的應(yīng)用，計算機工程. 2003, 11:186～189 　　[5] 張東升， 基于嵌入式技術(shù)的數(shù)據(jù)采集器在通信監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文. 2003:8～14 　　[6] 蔣亞群、張春元， ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)及其嵌入式SOC， 計算機工程， 2002, 28（11）: 4～6 　　[7] 張連明、霍迎輝，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā). 國外電子元器件. 2004, （1）:20～21 　　[8] 胡安平. PC104在工程中的應(yīng)用. 電子產(chǎn)品世界. 2002, （8）：60～61 　　[9] 魏忠, 蔡勇, 雷紅衛(wèi). 嵌入式開發(fā)詳解. 電子工業(yè)出版社, 2003:30～56 　　[10] Abraham Silberschatz, Peter Galvin, Greg Gagne. Applied operating system concepts. John Wiley & Sons, Inc, 2000:100～125 　　[11] Jack Ganssle. Changes in Embedded Design Methodology. Embedded System Programming. 1999, 9:35～40 　　[12] J.E.Coolirg. Software design for real-time Systems. Chapman and Hall World Publishing Crop, 1998:200～221 　　基于嵌入式運動控制器系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)