嵌入式数控系统的硬件结构及设计与调试（一）
1 引言这篇文章提出了一种根据ARM9系列S3C2410嵌入式微处理器和DSP专用运动操控芯片MCX314As的精工系统设计。其中S3C2410处理器是典型的32位R ISC芯片,具有体积小、 功 耗 低、 运 算 速 度 快、 片 内 集 成 度 高 等 优 点。MCX314As是日本NOVA公司推出的4轴运动操控的专用DSP集成电路,通过这个集成电路能够操控步进电机驱动或有脉冲型伺服电机驱动的4轴的方位、 速度和插补。选用S3C2410和MCX314As规划的经济型精工系统的方案,具有高集成度、 高可靠性和低成本等显著特点。2 嵌入式精工系统的硬件体系结构嵌入式精工系统的硬件体系结构与典型的运动控制系统的结构基本相同 ,主要有输入输出装置、 精工制装置、 驱动控制装置和机床电器逻辑控制装置四部分组成[ 4 ]。图 1为嵌入式精工系统的硬件体系总体结构图。在图 1中 , PC机用虚线围起来 ,是因为 PC机不是该嵌入式精工系统的主要组成部分 , PC机的存在只是作为嵌入式精工系统的开发平台 ,或者在实际使用中作为精工系统的精工加工文件的输入输出装置 ,也可以把 PC机和嵌入式精工系统进行联网 ,组成强大的精工网络。输入装置是将精工加工程序等各种信息输入精工的装置 ,输入内容及精工系统的工作状态可以通过输出装置观察。我们设计的嵌入式精工系统的输入装置是键盘、 PC机或者各种 U盘等移动存储设备 ,输出装置是 LCD显示屏。体系硬件渠道由ARM9的S3C2410主控板和MCX314As运动控制板构成,这样分隔规划有利于使整个精工体系的硬件体系结构及各个模块的接口模块化和标准化。为将来模块或许体系的硬件维护和升级带来极大的方便。MCX314As日本 NOVA电子有限公司研制的 DSP运动控制专用芯片 ,性能优良、 接口简单、 编程方便、 工作可靠 ,可广泛应用于精工机床、 机器人等领域的运动控制[ 5 ]。MCX314As是以单一芯片而可控制 4轴的脉冲序列输出驱动伺服马达、 步进马达的运动控制芯片 ,可以进行各轴独立的定位控制、 速度控制 ,另一方面亦可在 4轴中任意的选择 2轴或是 3轴来进行圆弧、 直线、 位模式插补[ 1 ]。在 ARM9主控板上设计有一个总线接口电路 ,这个电路已经把 S3C2410芯片上的一些信号线包括 16位数据线、 12位地址线、 片选信号和一些读写控制信号线引出来 ,方便用户扩展应用电路。运动控制芯片 MCX314As与 S3C2410处理器的连接就是通过这个标准的总线接口电路 ,把两者的数据线、 地址线、 读写控制线、 片选信号和中断等信号连接起来。控制系统硬件结构 ,如图 2所示。从图中可以看出 ,除了精工装置采用了上下位分机的设计方法 ,在 ARM9的主控板的设计上也采用了 ARM9核心板和 ARM9主控用户板的这种分开的模块化结构。核心板是 ARM9处理器的最小系统 ,只包括简单的 S3C2410芯片、 RAM和 ROM存储器;而用户板可以灵活剪裁设计 ,根据实际需要可以在板上设计 LCD接口、 US B接口、 以太网接口、IIS接口、 UART接口、 ADC模数转换接口以及 GPRS等外部硬件接口[ 3 ]。核心板与用户板两者以标准的接口连接 ,有利于用户的升级或二次开发 ,用户可以在不改变核心部分的情况下需只修改剪裁用户板 ,或者在不改变用户板的情况下更换核心板 ,就能够开发升级嵌入式精工系统精工装置的硬件。 总之 ,整个嵌入式精工系统的硬件体系结构属于典型的运动控制系统 ,使用基于 ARM9和 MCX314As处理器作为精工系统控制核心 ,尽量使得系统的各功能部分模块化 ,接口标准化 ,有利于系统的开放性的提高 ,易于维护和升级。在基于 ARM9的嵌入式精工装置中 ,硬件部分主要由ARM9处理器 S3C2410和 MCX314As运动控制卡组成。以S3C2410处理器芯片为核心的板卡为上位机 ,用于预处理、键盘、 显示、 外部通讯等管理工作; 以运动控制芯片MCX314As及其外围电路组成的板卡为下位机 ,用于根据上位机的命令和数据进行计算和处理然后输出控制脉冲。运动控制器是系统的核心器件 ,完成系统的大部分功能。S3C2410与 MCX314As的信号连接图如图 3所示。由图中可以看到 ,在那些互相连接的信号线之间都隔着一些写着“S N74ALVC164245” 的芯片 ,那是因为 S3C2410的I/O引脚的工作电压是 313 V的 (按道理可以承受 5V电压 ) ,而 MCX314As的工作电压是 5V,为保险起见 ,同时也为了增加信号之间传输的可靠性 ,我们在两者信号连接时加入了“S N74ALVC164245” 的芯片来实现电平的转换 ,同时驱动信号[ 4 ]。