基于ARM与DSP的切绘机运动控制平台的设计文档格式.docx

1、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1胡乾斌,李光斌.单片微型计算机原理与应用.武汉:华中科技大学出版社,2006:1261782廖效果.数字控制机床.武汉:华中科技大学出版社,2004:961173林敏.计算机控制技术与系统.北京:中国轻工业出版社,2001:911094王勇.嵌入式单

2、片机8XC251用户指南.北京: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#$%$【摘要】设计了数控切绘机的基于AR M 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AR M 处理器,从CPU 采用通用DSP 芯片。软件的操作系统采用实时的R TLinux 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;

3、ARM【Abstract 】An open structure motion control platform based on ARM （Advanced RISC Machine andDSP （Digital Signal Processor is designed for the numerical control cutting plotter.The hardware of theplatform is a double CPU（Central Processing Unit structure.The master CPU is an ARM processor,and the

4、slave CPU is a general DSP chip.By using the real-time RTL inux operating system,the software of the numerical control cutting plotter is developed.The motion control platform is good at multitasking,and moreover,it can implement the real-time motion control.The platform can satisfy the request of t

5、he cutting plotter control system for high speed and high accuracy.Key words:Motion control platform;Cutting plotter;Digital signal processor;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510006Design of the motion control platform of the cutting plotter based on ARM&DSPLIU

6、Jian-qun ,LIU Lu-shan ,LUO Ji-he ,WANG Fei ,TONG Huai（Guangdong University of Technology ,Guangzhou 510006,China 文章编号:1001-3997（200802-0162-031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Machinery Design &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

7、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

8、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

9、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

10、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ARM CPU LPC2214,LPC2214是以ARM 7为核心的高性能32位RISC 处理器,片内带有256KB 高速Flash ROM 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TM S320F2812,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150M Hz ,足以满足高速实时运动控制的要求。图2

11、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,TM S320F2812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TM S320F2812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NAND Flash 存储器采用K9F2808U0C（

12、16M ,用于存储系统参数及加工指令程序;NOR Flash 存储器采用SST39VF160（2M ,用于存放操作系统代码;PSRAM 采用M T45W8M W16（8M,用于存放临时数据;液晶显示模块采用CGM 12832B ;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

13、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FLASH PSRAMLPC2214ARM 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TM S320F2812DSP 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R A M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TM S320F2812模块AR

14、M 核LPC2214主控平台第2期-163-刘建群等:基于AR M 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Li

15、nux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ARM7TDM I-S内核用ARM ADS作为编译器移植RT

16、Linux。移植包括以下内容: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;RTLinux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;用make menuconfig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;bootloader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LP

17、C2214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:建立文件系统驱动程序的API函数。如初始化文件函数Init OSFile（、通过文件缓冲区读写数据函数ReadOSFile（和WriteO SFile（、打开和关闭文件函数OpenOSFile（和CloseOSFile（等。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

18、一样操作设备文件,如open（“/dev/console”,O_RDON LY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

19、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TM S320F2812。（2TM S320F2812完成插补的控制算法。TM S320F2812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

20、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。1周立功.ARM嵌入式系统基础教程M.北京:北京航空航天大学出版社,20052陈幸勤.基于网络的嵌入式运动控制平台的研究和设计J.武汉理工大学学报（信筷与管理工程版,2005,27（53王永青,刘晓梅.RTLinux在开放式数控系统中的应用J.制造技术与机床,2005（12:44474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（3:4749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RAMTM S320F2812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