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嵌入式设计

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基于ARM的嵌入式数控系统设计方案

导读: 数控技术是当今制造业的核心技术,是发展高尖端技术和高新产业的关键。本文介绍了基于ARM的嵌入式数控系统。该系统为主从式结构,上位机以ARM9为核心,实现人机交互,下位机以ARM7为核心,结合FpGA实现机床的运动控制,上下住机通过CAN总线进行通信。

  传统的数控系统通常是在通用计算机或工控机的基础上加装运动控制卡,使用Windows操作系统,并安装昂贵的数控软件构成的。此类系统成本高,功耗大,不太适合中小规模的应用场合。而嵌入式产品具有系统结构精简、功耗低等特点,能弥补传统数控系统的不足。

  如今,嵌入式系统开发人员和片上系统设计人员越来越多地选择特定的处理器内核和配套的工具、库及现成的组件来快速开发基于微处理器的新产品。ARM在这一方面表现尤为突出。在过去的10年中,ARM体系结构已成为世界上最受欢迎的32位体系结构,在本书完成时,基于ARM的处理器已发售了超过20亿片。ARM处理器已被嵌入到各种产品——从移动电话到汽车刹车系统。全球的ARM合作伙伴和第三方供应商,在半导体和产品设计公司中迅速发展壮大,包括硬件工程师、系统设计人员和软件开发人员。但至今还没有一本书能够较好地满足基于ARM的嵌入式系统及软件开发的需要。

  数控技术是当今制造业的核心技术,是发展高尖端技术和高新产业的关键。数控机床被视为战略物质和战备性工业备受高度重视。嵌入式技术的发展是近年来发展最快的技术,已经应用到生活的各个方面。目前,嵌入式技术已经开始广泛的进军工业控制领域。将嵌入式技术应用在数控机床上面,对新型的嵌入式数控系统进行研究和应用,可以与国外处于同一起跑线。对我国数控技术的发展具有十分重要的推动意义。本文提出了基于工业级ARM微处理器S3C2440和DSP专用运动控制芯片MCX314As,设计一种四轴三联动的开放式经济性数控系统。该数控系统不仅具有成本低、加工精度高、响应速度快等优点,而且具有很好的可移植性和裁剪性,是对新一代开放式经济数控系统标准的探索和研究。嵌入式数控技术在数控领域将有很好的应用前景,对我国制造业整体水平的提高有积极的推动作用。

  目前,嵌入式数控系统主要有两种形式:完全依靠嵌人式处理器控制的系统以及嵌入式处理器和运动控制芯片相结合的系统。与前者相比,后者南于采用了专业的运动控制芯片,在实时性和精度等方面的表现更好,因而成为未来的一个发展方向。本文介绍了一种基于ARM控制器和FPGA运动控制芯片的主从式数控系统,希望能为AR M在嵌入式数控系统中的应用提供一些参考。

 

  1 总体设计

 

  本系统为主从式结构。上位机以S3C2410 ARM9控制器为核心,移植Linux系统和QT/Embedded图形库,主要实现G代码文件处理、加工位置的显示、手动控制等人机交互功能。下位机以$3C44B0 ARM7控制器为核心,斯迈迪的SM5004 FPGA芯片为运动控制器,实现电机驱动、冷却液开关、紧急停止等机床控制功能。上下位机通过CAN总线通信。

 

  2 硬件设计

 

  2.1CAN接口设计

  由于S3C2410和S3C44B0不带CAN接口,所以必须对其进行扩展。S3C2410的CAN 扩展接El如图1所示,S3CA4B0的CAN接口与其相似。

 

  

 

  系统的CAN控制器使用MCP2510芯片。MCP2510的复位引脚RESET与$3C2410的复位引脚nRESET相连,片选引脚CS与S3C2410的GPH0相连。OSC1和OSC2引脚连接一个16M 的晶振作为时钟源。SI、SO和SCK分别与S3C2410的SPI El MOSIO、MISO0和SPICLKO相连。如果SPI口被其它设备占用,也可用其它的I/O El代替,但要编写软件算法来模拟SPI的读写操作。系统采用中断方式读写MCP2510,因此它的INT引脚与S3C2410的外部中断引脚EINT4相连。在外部中断引脚资源比较紧张的情况下,也可使用查询方式读写MCP2510,此时INT可以悬空。

  系统的CAN 收发器使用TJA105O芯片,该芯片的TXD和RXD与MCP2510的TXCAN和RXCAN相连,Rs引脚连接的斜率电阻为1K。

  TJAlOS0输出CANH、CANL差分信号,通过J1001插口接人物理线路。

  2.2输入输出接口设计

  S3C44B0 ARM 和SM5004 FPGA芯片提供了很多通用输入输出接口,为了有效的防止干扰进入系统,这里采用了光耦隔离,如图2所示。

 

  

 

  在低速开关量中,由图2(a)可以看出,这里采用贴片低速光耦MOCD217一M。它是Motorola公司的产品,是具有低输入电流的双路光耦。之所以这里在接人输入口之前加入电阻R3,是因为ARM 中的部分I/0 口是开漏式的,防止在输入输出过程中电流过大,将相应口烧坏。如图2(b)在高速开关量中,采用HC—PL0661双路光耦进行扩展,它是Agilent Technologies公司的产品,其开关速率可达到1O M左右,可应用于各种高速脉冲输入输出的场合。

 

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