嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)與調(diào)試（一）
1 引言這篇文章提出了一種根據(jù)ARM9系列S3C2410嵌入式微處理器和DSP專用運(yùn)動(dòng)操控芯片MCX314As的精工系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中S3C2410處理器是典型的32位R ISC芯片,具有體積小、 功 耗 低、 運(yùn) 算 速 度 快、 片 內(nèi) 集 成 度 高 等 優(yōu) 點(diǎn)。MCX314As是日本NOVA公司推出的4軸運(yùn)動(dòng)操控的專用DSP集成電路,通過(guò)這個(gè)集成電路能夠操控步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或有脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的4軸的方位、 速度和插補(bǔ)。選用S3C2410和MCX314As規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)型精工系統(tǒng)的方案,具有高集成度、 高可靠性和低成本等顯著特點(diǎn)。2 嵌入式精工系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)嵌入式精工系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)與典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同 ,主要有輸入輸出裝置、 精工制裝置、 驅(qū)動(dòng)控制裝置和機(jī)床電器邏輯控制裝置四部分組成[ 4 ]。圖 1為嵌入式精工系統(tǒng)的硬件體系總體結(jié)構(gòu)圖。在圖 1中 , PC機(jī)用虛線圍起來(lái) ,是因?yàn)?PC機(jī)不是該嵌入式精工系統(tǒng)的主要組成部分 , PC機(jī)的存在只是作為嵌入式精工系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái) ,或者在實(shí)際使用中作為精工系統(tǒng)的精工加工文件的輸入輸出裝置 ,也可以把 PC機(jī)和嵌入式精工系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng) ,組成強(qiáng)大的精工網(wǎng)絡(luò)。輸入裝置是將精工加工程序等各種信息輸入精工的裝置 ,輸入內(nèi)容及精工系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以通過(guò)輸出裝置觀察。我們?cè)O(shè)計(jì)的嵌入式精工系統(tǒng)的輸入裝置是鍵盤、 PC機(jī)或者各種 U盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備 ,輸出裝置是 LCD顯示屏。體系硬件渠道由ARM9的S3C2410主控板和MCX314As運(yùn)動(dòng)控制板構(gòu)成,這樣分隔規(guī)劃有利于使整個(gè)精工體系的硬件體系結(jié)構(gòu)及各個(gè)模塊的接口模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。為將來(lái)模塊或許體系的硬件維護(hù)和升級(jí)帶來(lái)極大的方便。MCX314As日本 NOVA電子有限公司研制的 DSP運(yùn)動(dòng)控制專用芯片 ,性能優(yōu)良、 接口簡(jiǎn)單、 編程方便、 工作可靠 ,可廣泛應(yīng)用于精工機(jī)床、 機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制[ 5 ]。MCX314As是以單一芯片而可控制 4軸的脈沖序列輸出驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)、 步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制芯片 ,可以進(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、 速度控制 ,另一方面亦可在 4軸中任意的選擇 2軸或是 3軸來(lái)進(jìn)行圓弧、 直線、 位模式插補(bǔ)[ 1 ]。在 ARM9主控板上設(shè)計(jì)有一個(gè)總線接口電路 ,這個(gè)電路已經(jīng)把 S3C2410芯片上的一些信號(hào)線包括 16位數(shù)據(jù)線、 12位地址線、 片選信號(hào)和一些讀寫控制信號(hào)線引出來(lái) ,方便用戶擴(kuò)展應(yīng)用電路。運(yùn)動(dòng)控制芯片 MCX314As與 S3C2410處理器的連接就是通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的總線接口電路 ,把兩者的數(shù)據(jù)線、 地址線、 讀寫控制線、 片選信號(hào)和中斷等信號(hào)連接起來(lái)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ,如圖 2所示。從圖中可以看出 ,除了精工裝置采用了上下位分機(jī)的設(shè)計(jì)方法 ,在 ARM9的主控板的設(shè)計(jì)上也采用了 ARM9核心板和 ARM9主控用戶板的這種分開(kāi)的模塊化結(jié)構(gòu)。核心板是 ARM9處理器的最小系統(tǒng) ,只包括簡(jiǎn)單的 S3C2410芯片、 RAM和 ROM存儲(chǔ)器;而用戶板可以靈活剪裁設(shè)計(jì) ,根據(jù)實(shí)際需要可以在板上設(shè)計(jì) LCD接口、 US B接口、 以太網(wǎng)接口、IIS接口、 UART接口、 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換接口以及 GPRS等外部硬件接口[ 3 ]。核心板與用戶板兩者以標(biāo)準(zhǔn)的接口連接 ,有利于用戶的升級(jí)或二次開(kāi)發(fā) ,用戶可以在不改變核心部分的情況下需只修改剪裁用戶板 ,或者在不改變用戶板的情況下更換核心板 ,就能夠開(kāi)發(fā)升級(jí)嵌入式精工系統(tǒng)精工裝置的硬件。 總之 ,整個(gè)嵌入式精工系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)屬于典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ,使用基于 ARM9和 MCX314As處理器作為精工系統(tǒng)控制核心 ,盡量使得系統(tǒng)的各功能部分模塊化 ,接口標(biāo)準(zhǔn)化 ,有利于系統(tǒng)的開(kāi)放性的提高 ,易于維護(hù)和升級(jí)。在基于 ARM9的嵌入式精工裝置中 ,硬件部分主要由ARM9處理器 S3C2410和 MCX314As運(yùn)動(dòng)控制卡組成。以S3C2410處理器芯片為核心的板卡為上位機(jī) ,用于預(yù)處理、鍵盤、 顯示、 外部通訊等管理工作; 以運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As及其外圍電路組成的板卡為下位機(jī) ,用于根據(jù)上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理然后輸出控制脈沖。運(yùn)動(dòng)控制器是系統(tǒng)的核心器件 ,完成系統(tǒng)的大部分功能。S3C2410與 MCX314As的信號(hào)連接圖如圖 3所示。由圖中可以看到 ,在那些互相連接的信號(hào)線之間都隔著一些寫著“S N74ALVC164245” 的芯片 ,那是因?yàn)?S3C2410的I/O引腳的工作電壓是 313 V的 (按道理可以承受 5V電壓 ) ,而 MCX314As的工作電壓是 5V,為保險(xiǎn)起見(jiàn) ,同時(shí)也為了增加信號(hào)之間傳輸?shù)目煽啃?,我們?cè)趦烧咝盘?hào)連接時(shí)加入了“S N74ALVC164245” 的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換 ,同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)[ 4 ]。