引 言
    運(yùn)動控制器是運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心部件筋擒。目前股缸，國內(nèi)的運(yùn)動控制器大致可以分為3類：
    第1類是以單片機(jī)等微處理器作為控制核心的運(yùn)動控制器验游。這類運(yùn)動控制器速度較慢、精度不高泄隔、成本相對較低拒贱，只能在一些低速運(yùn)行和對軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動控制場合應(yīng)用。
    第2類是以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動控制器佛嬉，這類運(yùn)動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單逻澳，大多只能輸出脈沖信號，工作于開環(huán)控制方式暖呕。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能士敬，也沒有前饋功能，特別是對于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動的場合不能使用這類控制器雾逢。
    第3類是基于PC總線的以DSP或FPGA作為核心處理器的開放式運(yùn)動控制器彻芒。這類開放式運(yùn)動控制器以DSP芯片作為運(yùn)動控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺赂阻，運(yùn)動控制器以插件形式嵌入PC機(jī)尘晓，即“PC+運(yùn)動控制器”的模式。這樣的運(yùn)動控制器具有信息處理能力強(qiáng)邪慧，開放程度高验阱，運(yùn)動軌跡控制準(zhǔn)確，通用性好的特點(diǎn)秆尝。但是這種方式存在以下缺點(diǎn)：運(yùn)動控制卡需要插入計(jì)算機(jī)主板的PCI或者ISA插槽刮锹，因此每個(gè)具體應(yīng)用都必須配置一臺PC機(jī)作為上位機(jī)。這無疑對設(shè)備的體積幽摔、成本和運(yùn)行環(huán)境都有一定的限制，難以獨(dú)立運(yùn)行和小型化丙图。
    針對這些問題刮便，設(shè)計(jì)了一種基于ARM+DSP的嵌入式運(yùn)動控制器。該控制器將嵌入式CPU與專用運(yùn)動控制芯片相結(jié)合绽慈，將運(yùn)動控制功能以功能模塊的方式嵌入到ARM主控板的架構(gòu)恨旱，把不需要的設(shè)備裁減掉，既兼顧功能又節(jié)省成本坝疼。該控制器是一種可以脫離上位機(jī)單獨(dú)運(yùn)行的一種獨(dú)立型運(yùn)動控制器搜贤，具有良好的應(yīng)用前景谆沃。

1 嵌入式運(yùn)動控制器的硬件平臺設(shè)計(jì)
    嵌入式運(yùn)動控制器的硬件主要包括兩個(gè)部分：ARM主控板和DSP運(yùn)動控制板。這兩塊控制板通過通用I／O口以總線的方式連接在一起仪芒。在設(shè)計(jì)時(shí)唁影，可以分別對ARM主控板和DSP運(yùn)動控制板進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再調(diào)試掂名。這種將ARM主控板和DSP運(yùn)動控制板分開設(shè)計(jì)和調(diào)試的硬件方案据沈，將設(shè)計(jì)難點(diǎn)分散，使設(shè)計(jì)和調(diào)試更簡單饺蔑。
1．1 ARM主控板部分
    本系統(tǒng)采用的ARM芯片為Samsung公司推出的16／32位RISC處理器S3C2440A锌介，主頻為400 MHz，最高頻率可達(dá)533 MHz猾警。ARM主控板以嵌入式處理器S3C2440A為核心症旭，外擴(kuò)存儲器和通用設(shè)備接口。

    通過通用I／O接口與DSP運(yùn)動控制板通信饲残，實(shí)現(xiàn)ARM主控板與運(yùn)動控制板之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向傳送秉返；外部NAND Flash存儲器(64 MB)，用于存儲系統(tǒng)參數(shù)及運(yùn)動指令驮桐；NOR Flash存儲器(2 MB)暂铭，用于存放系統(tǒng)運(yùn)行程序；SDRAM存儲器(64 MB)寝丹，用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)底咳；通過串口、以太網(wǎng)接口肩堡、USB接口與上位機(jī)系統(tǒng)通信珍霉，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的傳送；通過LCD接口都璃，實(shí)現(xiàn)320×240分辨率液晶屏的圖形與字符顯示嘿杖，并具有觸摸屏接口，提供友好的人機(jī)交互界面以舒；通過I／O擴(kuò)展接口趾痘，提供可編程的數(shù)字I／O通道；通過JTAG接口與PC機(jī)通信蔓钟，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行程序的仿真調(diào)試及下載永票，軟件升級接口。
1．2 DSP運(yùn)動控制板部分
    本系統(tǒng)DSP運(yùn)動控制芯片選用PCL6045B滥沫。PCL6045B是一種功能十分強(qiáng)大的DSP運(yùn)動控制芯片侣集。芯片能夠控制四軸，并實(shí)現(xiàn)兩軸到四軸直線差補(bǔ)兰绣、兩軸圓弧差補(bǔ)世分。所有插補(bǔ)計(jì)算由芯片完成编振，上位機(jī)只需寫入圓弧的參數(shù)即可，其多軸插補(bǔ)控制功能特別優(yōu)秀臭埋。系統(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式踪央。主CPU為ARM處理器，負(fù)責(zé)鍵盤斋泄、顯示杯瞻、網(wǎng)絡(luò)通信等管理工作；從CPU為PCL6045B運(yùn)動控制芯片癌蚂，專門負(fù)責(zé)運(yùn)動控制的處理工作渴肿。PCL6045B與ARM的通信是靠讀寫I／O總線上的幾個(gè)地址來進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸≡诓撸控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示肥爵。

2 嵌入式運(yùn)動控制器的軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)可根據(jù)被控對象的特征設(shè)計(jì)不同的模塊化用戶軟件，來滿足不同的運(yùn)動控制任務(wù)敌灰。模塊化軟件恰好是Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)舶抚。Linux還可以根據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的裁減和定制，源碼開放甥晦，網(wǎng)絡(luò)支持功能強(qiáng)大寄硬，價(jià)格上也更具有競爭優(yōu)勢等。所以該控制器選用Linux作為片上系統(tǒng)(SoC)敢亥。但是响徒，Linux并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此梳命，通過實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁RTAI(Real Time Application In-terface)丹禀，在硬件平臺的基礎(chǔ)上增加一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，將Linux內(nèi)核當(dāng)作它的優(yōu)先級最低的任務(wù)執(zhí)行鞋怀，從而保證運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性双泪。系統(tǒng)的控制軟件分為兩個(gè)區(qū)域：非實(shí)時(shí)域和實(shí)時(shí)域。非實(shí)時(shí)域是建立在普通Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上的密似，其主要包括系統(tǒng)初始化和通信模塊焙矛。

    ①系統(tǒng)初始化：進(jìn)行微處理器的硬件初始化，包括輸入／輸出接口的配置残腌、具體總線通信方式的配置以及伺服系統(tǒng)相關(guān)的接口參數(shù)配置薄扁。
    ②通信模塊：負(fù)責(zé)運(yùn)動控制卡和上位機(jī)之間的坐標(biāo)值、速度值废累、數(shù)控系統(tǒng)的I／O接口狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)以及數(shù)據(jù)鏈表的傳輸脱盲。
    實(shí)時(shí)域建立在RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上邑滨。其實(shí)時(shí)任務(wù)通過實(shí)時(shí)進(jìn)程的方式來完成日缨，一種為周期性(peri_odic)實(shí)時(shí)進(jìn)程，另一種為一次性(one shot)實(shí)時(shí)進(jìn)程掖看。實(shí)時(shí)域主要包括如下4個(gè)周期性實(shí)時(shí)線程：
    ①狀態(tài)檢測線程(rt_monitor_thread)匣距。本任務(wù)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，負(fù)責(zé)從I／O端口讀入各個(gè)連接的I／O設(shè)備值馁捌，然后將狀態(tài)寫入狀態(tài)檢測緩沖區(qū)中梗药，對設(shè)備急停、伺服報(bào)警往蚕、限位信號進(jìn)行判斷自凛，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
    ②插補(bǔ)線程(rt_interpolation_thread)纱栓。從譯碼緩沖區(qū)中順序取得插補(bǔ)數(shù)據(jù)费抚，然后根據(jù)是直線或者圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)得到下個(gè)周期應(yīng)該到達(dá)的理論坐標(biāo)值韭惧。
    ③位置控制線程(rt_position_thread)斟拘。讀取計(jì)數(shù)器中編碼器的數(shù)值，得到實(shí)際的位置哀姿，并與插補(bǔ)器中的理論位置坐標(biāo)作比較拾撇。根據(jù)差值調(diào)節(jié)PID參數(shù)，并將具體脈沖輸出數(shù)寫入對應(yīng)的PWM口的脈沖數(shù)寄存器中鹰幌。
    ④功能控制線程(rt_function_thread)狂秦。功能控制任務(wù)利用RTAI實(shí)時(shí)管道來傳遞命令和狀態(tài)信息的功能。通過管道的命令設(shè)置實(shí)現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)對實(shí)時(shí)部分RTAI的訪問兰粉，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器的運(yùn)行故痊、暫停、給定速度等狀態(tài)設(shè)置玖姑。
2．1 軟件平臺的建立
    軟件平臺是系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)愕秫。本系統(tǒng)軟件平臺主要包括：ARM-Linux的移植、串行接口驅(qū)動開發(fā)焰络、USB接口驅(qū)動開發(fā)戴甩、LCD接口驅(qū)動開發(fā)、觸摸屏接口驅(qū)動開發(fā)闪彼、以太網(wǎng)接口驅(qū)動開發(fā)甜孤、文件系統(tǒng)的移植等。這些軟件的開發(fā)和移植在很多文獻(xiàn)中有詳細(xì)的說明畏腕。
2．2 運(yùn)動控制函數(shù)庫的設(shè)計(jì)
    通用運(yùn)動控制器的功能主要取決于運(yùn)動控制函數(shù)庫缴川。要做成一個(gè)開放式的運(yùn)動控制器，必須編寫豐富的運(yùn)動控制函數(shù)庫，以滿足不同的應(yīng)用要求把夸。運(yùn)動控制函數(shù)庫要為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供許多運(yùn)動函數(shù)扑姆，如單軸驅(qū)動、兩軸直線插補(bǔ)尉武、3軸直線插補(bǔ)牌宜、圓弧插補(bǔ)等等。另外源洒，為了配合運(yùn)動控制系統(tǒng)的開發(fā)骡眼，還編寫了一些輔助函數(shù)，如中斷處理赘眼、編碼器反饋晌爹、間隙補(bǔ)償、通用開關(guān)量的輸入輸出等蔬聚。這樣用动，用戶在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)就不必再關(guān)心底層的東西，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面墙违，并調(diào)用運(yùn)動控制函數(shù)庫中的函數(shù)征蜻，就可以開發(fā)出滿足要求的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)。
2．3 對Ljnux進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造
     由于Linux不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)诽表，所以唉锌，利用實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁RTAI(Real Time Application Interface)。RTAI的安裝和使用詳見參考文獻(xiàn)[7]竿奏。該控制器所使用的Linux開發(fā)環(huán)境為ELDK(Embedded Linux DevelopedKit)3．0袄简。Linux內(nèi)核為Linuxp pc_2_4_devel，而RTAI的版本為24．1．12泛啸。由Linux中的init_module()和cleanup_modtde()兩個(gè)函數(shù)加載和卸載實(shí)時(shí)任務(wù)模塊绿语，通過這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)線程及其處理函數(shù)的創(chuàng)建和回收。

2．4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
     應(yīng)用軟件主要包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)候址、數(shù)控指令的編譯解釋吕粹、按鍵功能的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動狀態(tài)的監(jiān)視等岗仑。通過操作系統(tǒng)ARM-Linux匹耕，可方便地實(shí)現(xiàn)上述功能，并進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度荠雕。運(yùn)動控制器根據(jù)輸入的數(shù)控指令文件稳其，將其存入NAND Flash中。ARM處理器通過對數(shù)控指令進(jìn)行譯碼酬桦、速度預(yù)處理壹事、粗插補(bǔ)計(jì)算等罕识，調(diào)用運(yùn)動控制函數(shù)，進(jìn)而發(fā)出控制指令控制步進(jìn)或伺服系統(tǒng)去控制執(zhí)行部件進(jìn)行動作责什，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的目的龟聊。

結(jié) 語
     本文綜合應(yīng)用ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、DSP運(yùn)動控制技術(shù)等多種技術(shù)開發(fā)出高性能的嵌入式運(yùn)動控制器啰蕴。該控制器相比傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的運(yùn)動控制器，具有成本低存学、體積小码承、功耗低、功能豐富优生、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)和優(yōu)勢城离。以ARM微控器和PCL6045B為核心的嵌入式運(yùn)動控制器，采用Linux操作系統(tǒng)泪确，經(jīng)過對其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造娜食，使系統(tǒng)能很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性敞峭。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高精度的運(yùn)動控制需求踊谋，具有良好的運(yùn)動控制性能。該運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)旋讹，為讀者提供了一種良好的解決方案殖蚕，在運(yùn)動控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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