基于MCU+DSP的运动控制硬件平台设计

　　引言

　　开放式控制器体系结构源于“开放式”的PC(个人计算机) 技术, 目前的开放式运动控制器多为PC+运动控制卡结构, 随着MCU(微控制器) 和DSP(数字信号处理器)性能的增强, MUC和DSP取代PC的趋势日趋明显, 而这种嵌入式的紧凑结构较PC有更广泛的环境适应性。MCU、DSP和PC差异较大, PC环境中的运动控制技术不可能直接向MCU和DSP系统中转移, 基于MCU和DSP硬件平台的运动控制技术的研究十分必要。

　　设计目标与需求分析

　　运动控制系统发展方向

　　在开放式控制器技术的推动下, 运动控制系统由传统的封闭式结构朝着开放、可重构、网络化方向发展。按照《开放式数控系统第1 部分: 总则》(GB/T18759.1- 2002) 的定义, 开放式数控系统有三个层次的开放, 第一层, 系统功能可配置, 人机界面、伺服驱动单元的运动控制接口、逻辑控制单元接口均开放; 第二层, 系统软件体系结构、拓扑结构和应用软件接口开放, 第三方的应用软件能在系统中安装运行并实现互操作性, 且第三方的软件模块可以在拓扑结构不变的情况下对本系统软件模块置换和扩展; 第三层

, 系统实现可重构。国标GB/T 18759.1- 2002 尚未公布可重构的详细内容。运动控制系统是数控系统的一个核心组件, 其技术发展方向和开放式数控系统类似。现代运动控制器联通信息网、逻辑控制网和伺服控制网(接口) 三种网络。

　　在MCU 和DSP 环境中运动控制技术的研究课题

　　和PC相比, MCU和DSP采用了哈佛结构, 流水线技术, 超长指令字, 加乘器等提高CPU速度, 并在片上扩展了控制用前向和后向通道外设及通信接口, 在这种环境下, 实现开放、可重构和网络化运动控制功能, 下列研究是必要的:

　　①体系结构的研究, 以多CPU方式实现复杂的运动控制;

　　②嵌入式系统中实时操作系统的研究, 解决MCU和DSP控制器系统软件问题;

　　③MCU和DSP环境中运动控制算法的研究, 解决少资源情况下, 复杂控制算法的实现问题;

　　④软件模块管理与剪裁技术的研究, 解决通用技术方案的应用针对性问题;

　　⑤网络通信技术的研究:解决伺服通信网、逻辑控制网和信息网通信问题。

　　硬件系统设计目标与结构要求

　　基于MCU和DSP的运动控制技术研究硬件平台的设计目标是为上述研究课题提供硬件系统环境, 以MCU或DSP为核心的商品化运动控制器并不少见,但它们只对用户提供运动控制函数库的接口, 并不是完全意义上的开放, 必须开发运动控制器的硬件研究平台, 并满足下列要求:

　　①类型与结构化模式要求:CPU选型应是主流的MCU和DSP芯片,结构体系采用单CPU,双CPU流水线模式和层次化结构, CPU可以独立工作, 可以组成流水线模式工作。也可以采用两层结构,上下层分别处理不同实时要求的任务。

　　②开放性要求:各CPU单元配置计算机通信接口, 如RS232、PCI、CAN、USB 等, 可以方便地实现硬件互联。

　　③网络化要求:配有伺服单元接口、现场总线接口和以太网接口。

　　系统设计

　　运动控制系统硬件结构

　　运动控制系统硬件基本结构如图1 所示:

　　控制器联通人机界面和三种网络。控制器与人机界面的联接多采用开放的工业现场总线ModBus 等;控制器通过以太网接口与Internet/Intranet联接, 实现与管理信息系统的交互;控制器多通过现场总线如CAN、ModBus和RS485等与网络化的PLC工作站通信, 处理控制对象的大量I/O;控制器和高速伺服网络联接, 传送伺服放大器的控制信号, 但该方案技术难度高, 只有少数企业采用专用的高速伺服通信网络实现了伺服电机的组网, 多数方案还是采用的规范化的电机接口, 一个伺服电机的接口如下:

　　①2路脉冲波形输出, 其间相位差900, 或者其中一路可以作为方向信号( 高或低) ;

　　②1路AD输出, 一般为±10V,位数为12位或16位;

　　③2路增量编码器脉冲输入, 一路来自伺服电机,另一路来自执行机构终端;

　　④3路数字信号输出, 包括伺服使能、正转限制、反转限制;

　　⑤4路数字信号输入, 包括伺服准备好、左极限、右极限和零位信号;

　　上述接口电路也可以联接步进电机。运动控制器的内部层次结构如图2 所示:

　　上层控制器处理复杂控制算法及弱实时任务, 下层控制器处理插补与伺服控制等强实时任务。两个DSP构成双DSP流水线模块, 并行处理复杂实时控制任务。