基于ARM与DSP的切绘机运动控制平台的设计文档格式.docx
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0.25mm之内。
又在厚
8mm的钢板上切割整圆和矩形圆形,切缝为0.45mm,最大切割
速度达600mm/min。
加工误差在±
0.4mm之内,曲率半径误差在±
0.45mm之内。
还对两块厚2mm、
长500mm的钢板拼接固定后进行焊接,焊接速度达700mm/min,焊缝光滑,经超声波探测检查,无焊缝,无沙眼,焊接质量比人工焊接高。
参考文献
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中国轻工业出版社,2001:
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北京航空航天大学出版社,2001
*来稿日期:
2007-04-29*基金项目:
广州市科技攻关项目
（050084,广东省科技计划项目（2007B010400069"
"
#
$
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【摘要】设计了数控切绘机的基于ARM与DSP的开放式运动控制平台。
该控制平台的硬件采用双CPU结构,主CPU采用ARM处理器,从CPU采用通用DSP芯片。
软件的操作系统采用实时的
RTLinux系统,并在此基础上开发数控切绘机的软件。
该运动控制平台能很好地进行多任务处理,并
能实现实时运动控制,可以满足切绘机控制系统的高速高精度的要求。
关键词:
运动控制平台;
切绘机;
数字信号处理器;
ARM
【Abstract】AnopenstructuremotioncontrolplatformbasedonARM（AdvancedRISCMachineand
DSP（DigitalSignalProcessorisdesignedforthenumericalcontrolcuttingplotter.Thehardwareofthe
platformisadoubleCPU
（CentralProcessingUnitstructure.ThemasterCPUisanARMprocessor,andtheslaveCPUisageneralDSPchip.Byusingthereal-timeRTLinuxoperatingsystem,thesoftwareofthenumericalcontrolcuttingplotterisdeveloped.Themotioncontrolplatformisgoodatmultitasking,andmoreover,itcanimplementthereal-timemotioncontrol.Theplatformcansatisfytherequestofthecuttingplottercontrolsystemforhighspeedandhighaccuracy.
Keywords:
Motioncontrolplatform;
Cuttingplotter;
Digitalsignalprocessor;
中图分类号:
TH12,TP273
文献标识码:
A
基于ARM与DSP的切绘机运动控制平台的设计*
刘建群刘绿山罗继合王飞
童怀（广东工业大学,广州510006
DesignofthemotioncontrolplatformofthecuttingplotterbasedonARM&
DSP
LIUJian-qun,LIULu-shan,LUOJi-he,WANGFei,TONGHuai
（GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China
文章编号:
1001-3997（200802-0162-03
1引言
近年来,运动控制器从以单片机或微处理器作为核心部件
发展到了以专用芯片（ASIC和数字信号处理器（DSP作为核心部件的开放式运动控制器。
目前市场上应用较为广泛的是基于
&
第2期
-162-
2008年2月
MachineryDesign&
Manufacture
机械设计与制造
计算机标准总线的各种运动控制卡。
笔者也曾成功开发过一块基于PCI总线的运动控制卡,该卡采用专用运动控制芯片,应用于切绘机系统中控制电机进行三轴联动。
然而这种基于PC平台的运动控制卡,其成本相对比较昂贵,而且采用专用运动控制芯片,不利于扩展其它功能,不利于系统的升级,系统的开放性不够高。
基于上述原因,设计了一个开放式的基于ARM与DSP的运动控制平台,以ARM代替PC机,以通用DSP代替专用运动控制芯片,构成“ARM+DSP”的运动控制器模式。
并将这种控制方案应用于切绘机控制系统,使该控制系统脱离了PC机,提高了系统的集成度,同时增加了实时性,降低了成本,具有良好的应用前景。
2运动控制平台概述
运动控制平台的硬件采用双CPU结构,主CPU采用ARM处理器,从CPU采用DSP芯片。
操作系统采用实时的RTLinux嵌入式系统,并在此基础上开发出设备驱动程序和切绘机的应用程序。
采用上述的软硬件,可以完全满足切绘机控制系统高速、高精度的要求。
切绘机控制系统的软硬件模型如图1所示。
图1切绘机控制系统的软硬件模型
内核源码开放的RTLinux嵌入式系统软件与ARM处理器、
DSP控制器三者相结合,其功能非常强大。
RTLinux系统具有支
持各种协议及多进程调度机制的优点;
ARM在人机接口、监视控制、支持实时操作系统等方面具有强大的功能;
DSP的数字信号处理能力十分强大,其在数据处理方面的能力是通用微控制器所无法比拟的,但对诸如任务管理、人机交互等功能的实现较为困难。
将这三者结合起来,由ARM处理器作为平台,运行RTLinux操作系统,将ARM开放式的结构、
快速的信息处理能力与DSP的实时运算、实时控制能力有机地结合在一起,充分发挥ARM控制器与通用DSP芯片各自的优势,可以构成高性能的运动控制系统。
在切绘机的控制系统中,ARM作为主处理器,运行RTLinux嵌入式操作系统,负责任务的管理、数据接收及处理、数控指令编译、输入输出、控制外部设备等;
DSP作为从处理器,负责快速的实时插补运算,并发出脉冲控制伺服电机以进行高速运动。
3硬件平台设计
切绘机控制系统的硬件平台主要包括ARM主控模块和
DSP运动控制模块,其硬件结构框图如图2所示。
ARM主控模
块芯片选用Philips公司的ARMCPULPC2214,LPC2214是以
ARM7为核心的高性能32位RISC处理器,片内带有256KB高
速FlashROM和16KB静态RAM,且具有外部存储器接口[1]。
DSP运动控制模块芯片选用TI公司的TMS320F2812,该芯片是
美国TI公司研制的一款主要针对电机和运动控制及电力电子电路的芯片,并把最适合电机和运动控制应用的外围设备内嵌到芯片中[2]。
它的C28xTM内核CPU,最高频率可达150MHz,足以满足高速实时运动控制的要求。
图2切绘机控制系统的硬件结构框图
LPC2214芯片作为系统的主控处理器,完成各模块的任务
管理调度和运动控制的预处理。
同时为了满足运动控制过程中的实时插补运算要求,TMS320F2812作为从处理器,它具有强大的运算能力,能够减少主控处理器的运算任务量,提高系统响应速度及实时性。
并且,LPC2214是通过双口RAM将运动控制的预处理数据发送给TMS320F2812进行处理。
这样,既满足了系统的实时性加工需求,又使LPC2214具有足够的时间去处理其它各个模块,如按键输入、数据接收及处理、HPGL数控指令编译、故障诊断等。
LPC2214外部NANDFlash存储器采用K9F2808U0C
（16M,用于存储系统参数及加工指令程序;
NORFlash存储器采用SST39VF160（2M,用于存放操作系统代码;
PSRAM采用MT45W8MW16（8M
用于存放临时数据;
液晶显示模块采用CGM12832B;
按键接口采用PS/2方式。
为便于与上位机系统或
其它控制器通信,控制平台还设计有RS232、并口、USB和以太网通信等接口。
DSP的运动控制模块还采用复杂可编程逻辑器件（CPLD来设计用于运动控制的专用电路。
用CPLD来管理DSP和各种外部设备的接口配置,特别是在多轴控制中CPLD内部能做到真正的并行处理,这种预处理或后处理操作可以使DSP专注于复杂算法的实现,系统运行在准并行状态,加快了处理速度。
采用CPLD不仅极大地提高了控制的实时性,而且具有很大的灵活性,实现了硬件设计的软件化。
4软件平台设计
切绘机控制系统的软件主要由三大部分组成:
RTLinux操
FLASHPSRAM
LPC2214ARM处理器
RS232接口
并行接口
USB接口
以太网接口液晶显示模块按键接口
CPLD
输出控制
TMS320F2812DSP控制模块
X轴伺服
驱动器
Y轴伺服
Z轴伺服
电机
X轴运动部件
Y轴运动部件
Z轴运动部件
双
口
RAM
应用软件设备驱动程序
RTLinux嵌入式操作系统
软件平台
硬件平台
通信和I/O模块
DSP芯片TMS320F2812模块ARM核LPC2214主控平台
第2期-163-
刘建群等:
基于ARM与DSP的切绘机运动控制平台的设计*
作系统、设备驱动程序与切绘机的应用程序。
RTLinux操作系统主要实现进程管理、资源的分配、任务之间的调度和通信等功能;
设备驱动程序是操作系统与切绘机硬件控制平台之间的接口,并且应用程序也是通过驱动程序来操作硬件单元;
切绘机控制系统应用程序,主要包括HPGL数控指令的编译、数据接收及处理、运动控制处理、工作参数的设置、按键处理和状态显示等。
4.1RTLinux操作系统的移植
操作系统是所有应用软件赖以运行的基础,对它的选择十分重要。
选用的RTLinux操作系统是一款针对微控制领域而设计的Linux系统,该操作系统具有出色的实时性能和稳定性,能满足新一代开放式数控系统实时性、通用性和开放性的要求。
RTLinux系统通过在Linux系统内核和中断控制器之间加入一个RTLinux内核,使原来处于主控制地位的Linux系统内核成为RTLinux内核的控制对象[3-4]。
根据任务实时性的不同要求,分为实时单元和非实时单元两部分。
当RTLinux收到与实时处理有关的硬中断时,立即执行相应的实时中断服务程序;
而收到与实时处理无关的中断时,保存相应的信息,直到RTLinux内核空闲时通过软中断传递给Linux系统内核去处理。
LPC2214的ARM7TDMI-S内核用ARMADS作为编译器移植RTLinux。
移植包括以下内容:
①建立开发平台,在移植RTLinux之前要准备好内核源码和交叉编译工具,这里所使用的交叉编译工具是ADS编译器;
②RTLinux源码的修改,针对不同的硬件进行修改,对启动代码和配置文件进行修改;
③用makemenuconfig进行RTLinux内核配置,要根据设计的硬件平台将必要的选项选中;
④bootloader的移植和内核烧写到目标flash中。
4.2建立驱动程序的API函数
只有成功地将RTLinux移植到LPC2214的内核,才能建立交叉式编译环境,搭建软件开发平台,以便于各个模块应用程序的编写和调试。
RTLinux提供的仅仅是一个任务调度的内核,要想实现一个以LPC2214为主控单元,应用于切绘机的嵌入式实时多任务操作系统,必须建立相关驱动程序的API函数。
主要包括:
①建立文件系统驱动程序的API函数。
如初始化文件函数InitOSFile（、通过文件缓冲区读写数据函数ReadOSFile（和WriteOSFile（、打开和关闭文件函数OpenOSFile（和CloseOSFile（等。
②为外部设备建立驱动程序并规范相应的API函数。
设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口,它为应用程序屏蔽了硬件的细节。
这样,在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件。
应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作,可以使用open、read等系统调用,像操作普通文件一样操作设备文件,如open（“/dev/console”,O_RDONLY等。
当外围设备改变的时候,只需更换相应的驱动程序,不必修改操作系统的内核以及运行在操作系统的应用软件,如液晶驱动、键盘驱动、串行接口驱动等。
4.3控制系统的应用程序设计
在切绘机的控制系统中,运动控制平台要完成的就是实时与上位机和驱动器进行通信,对相应的数据和命令代码进行正确的解释判断并迅速做出反应,使得电机按照预定的要求进行运动,从而完成切割任务。
具体可以分为几个部分:
（1ARM处理器LPC2214完成命令代码的解释和状态判断,以及各任务管理的调度和运动控制的预处理。
上位机将所要加工的轨迹转换成相应的代码,通过串口通信或以太网通信将代码传递给ARM处理器LPC2214,然后由LPC2214对控制状态和控制方式进行设置。
根据这些控制方式以及各种设置对电机的运转进行坐标变换、轨迹规划,然后再进行预插补算法,将预插补生成的数据通过双口RAM传给TMS320F2812。
（2TMS320F2812完成插补的控制算法。
TMS320F2812的主要任务是运行插补算法,实时高效地对ARM处理器传送过来的预插补数据进行插补,进而发出相应的控制指令到驱动器来控制伺服电机的运行。
（3控制脉冲通过CPLD进行配置和输出。
采用CPLD来进行硬件设计,可以匹配不同驱动器的接口控制要求,可以在很大范围内适应多种运动系统的控制,真正实现了软硬件的协同设计,增强了系统的开放性和灵活性。
（4控制器将当前电机的速度、方向、位置等状态信息送到液晶进行实时显示。
控制系统的应用程序框架图如图3所示。
图3控制系统的应用程序框架图
5结束语
设计的基于ARM与DSP的嵌入式运动控制平台,融合了各种先进的计算机软硬件技术,通过层次化、模块化的软硬件结构设计,该运动控制平台具有良好的开放性与可靠性。
同时,在嵌入式RTLinux操作系统的支持下,可实现多任务调度与实时运动控制。
并且,该运动控制平台可应用到3轴以下的数控系统中,具有实时性好、速度快、精度高、成本低等特点,具有广阔的应用前景。
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北京航空航天大学出版社,2005
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44￣47
4卢艳军,林浒,任朝晖,任立义.基于RTLinux操作系统的开放式数控系统运动控制器的研究[J].机械设计与制造,2004（3:
47￣49
接收上位机发送的指令代码
ARM处理器进行参数设置
和预插补处理
双口RAM
TMS320F2812进行
插补算法
CPLD进行脉冲输出控制
液晶显示器实时显
示当前系统状态
No.2
-164-Feb.2008
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