基于ARM和MCX314As的嵌入式運動控制器

摘要：ARM處理器是業界領先的低功耗、低成本、高性能32位嵌入式RISC微處理器，MCX314A是4軸3聯動專用DSP運動控制芯片。文中提出以ARM微控器LPC2292對MCX314A進行控制的嵌入式運動控制器方案，論述了控制器硬件和軟件系統的構成，給出了運動控制器在XY兩軸數控伺服工作臺控制中的應用實例。
關鍵詞：運動控制；微控器；數控

1 引言
運動控制系統廣泛應用于現代制造加工業、機器人、電子機械、紡織機械、食品加工、辦公設備、家用電器等。控制是為了實現預期運動軌跡和速度、加速度、力等運動參數而采取的必要手段。運動控制器為實現運動控制提供了一個基礎平臺，在這個平臺上可以方便地實現對多個電機的協調控制。發揮ARM微控器與MCX314A各自的優勢，將兩者有機融合可方便地構成高性能的運動控制器。

2 MCX314A的主要功能
MCX314A是日本NOVA公司推出的4軸運動控制專用DSP集成電路，能用于步進電機或脈沖型伺服驅動的位置、速度和插補控制，可用于工業自動化設備、工業機器人、測量設備、辦公設備和家用電器等。其可以進行各軸(X軸、Y軸、Z軸、U軸)獨立的定位控制、速度控制，也可在4軸中選擇任意的2軸作圓弧插補、2/3軸作直線插補，插補精度是±0.5LSB。默認輸入時鐘為16MHz，脈沖輸出速度最高可達4MPPS，輸出脈沖范圍為32位。
MCX314A還有伺服電機反饋輸入（編碼器信號、在位信號和報警信號）、加/減速驅動、軟硬件限位、自動原點搜索、同步動作、輸入信號濾波等功能。
MCX314A能與8/16位數據總線接口，其所有的功能都是通過讀寫內部命令寄存器、數據寄存器、狀態寄存器和模式寄存器而實現。各軸都有32位的邏輯位置計數器（對輸出的驅動脈沖計數）、實際位置計數器（對外部編碼器計數）和比較寄存器，實現位置的閉環控制。各軸都有4個通用輸入（可用于限位、原點信號輸入）和4/8個通用輸出。

3 ARM微控器LPC2292
LPC2292是Philips公司推出的基于支持JTAG的16/32位ARM7TDMI-S工業級ARM微控制器，片內帶有256 kB高速Flash ROM和16kB靜態RAM，且具有外部存儲器接口。通過片內PLL可實現最大為60MHz的CPU操作頻率。LPC2292采用144腳LQFP封裝，內含2路CAN、8路10位ADC、2個32位定時器、6路PWM通道、實時時鐘、看門狗、9個外部中斷以及多種串行接口(包括2個16C550工業標準UART、I2C接口和SPI接口)等功能模塊，這使它特別適用于工業嵌入式控制應用。

4 運動控制器的基本構成
4.1 硬件系統
ARM微控制器LPC2292通過16位數據總線與MCX314A相連，如圖1所示。LPC2292的I/O運行電壓是3.3V的（但能承受5V電平），而MCX314A是5V電壓的，兩者互連時，可串入1kΩ電阻。應用實踐表明LPC2292和MCX314A直接相連也是可行的。兩者互連后，且將MCX314A的EXPLSN引腳、H16L8引腳、TESTN引腳接＋5V電壓，RESETN引腳連接低電平復位電路，CLK引腳接16M有源晶振時鐘，VDD引腳接上＋5V電源，MCX314就具備了最基本的運行條件。微控器就可通過外部存儲器接口，對MCX314A進行讀寫操作，實現相應的功能。
圖1中虛線框內表示4軸中的某一軸的接口。XPP/XPM 引腳工作在CW/CCW模式時輸出正/反驅動脈沖，在脈沖/方向模式時輸出驅動脈沖和方向信號。ECA/ECB/IN0接收編碼器的反饋輸入。AM26LS31是4路差動線驅動器，AM26LS32是4路差動線接收器。

LPC2292外部Flash存儲器可用于存儲需要固化的運動控制參數（如軌跡坐標、運動參數）。Flash存儲器采用SST39VF160（2MB），SRAM采用IS61LV25616AL（512KB），液晶模塊采用SMG240128A。為便于與上位系統和其他控制器間通信，控制器設計有RS232、CAN和以太網通信功能。CAN收發器采用TJA1050， RS232電平與3.3V電平轉換IC采用SP3232E，以太網接口控制器采用RTL8019AS。通信接口可以根據需要增減，如可用SGS-THOMSON公司的專用SERCOS接口控制芯片SERCON410B擴展SERCOS接口。通過這些通信接口，運動控制器可直接與CAD/CAM系統融合。ARM控制器可方便地把CAD/CAM系統產生的G、M數控代碼直接轉換成MCX314A的命令。MCX314A執行命令，產生控制脈沖給伺服驅動器，驅動機械部件形成期望的運動。
4.2 軟件系統
LPC2292要完成通信、人機交互、運行控制算法產生控制指令、MCX314A的讀寫操作等多任務。在控制器中嵌入實時多任務μC/OS-II操作系統給軟件系統設計帶來便利，移植的技術細節參見文獻[3>。下面主要討論MCU對MCX314A的控制。

操作MCX314A對于程序設計來說就是按一定的時序讀寫其內部的寄存器。MCX314A可“寫”的寄存器有：命令寄存器WR0，模式寄存器WR1~3，輸出寄存器WR4，插補模式寄存器WR5，數據寄存器WR6～7；可“讀”的寄存器有：主狀態寄存器RR0，狀態寄存器RR1～5，數據寄存器RR6～7。
ARM處理器將I/O端口和存儲器統一編址，可將MCX314A接于LPC2292的Bank2存儲器組(地址范圍是0x8200,0000~0x82ff,ffff)，即將CS2作為MCX314A的片選信號，那么WR0和RR0的地址是0x8200,0000，記為Addr。那么，WR1和RR1的地址是Addr+2，依此類推，WR7和RR7的地址是Addr+0x0e。為了使LPC2292提供16位的總線接口，需要在其啟動代碼中設置PINSEL2= 0x0f814914, BCFG2 =0x1000ffef。圖2是MPU操作MCX314A的流程圖。
文獻[1>提供了基于 C語言的示例程序，但ARM開發套件ADS1.2(CodeWarrior for ARM Developer Suite)沒有提供outpw和inpw函數。下面提供這兩函數的源代碼，這樣，文獻[1>的程序可方便地移植到ARM中。
void outpw(unsigned int addr, unsigned short data)
{ volatile unsigned short *ptr;
ptr=(volatile unsigned short *)addr;
*ptr=data;
}
unsigned short inpw(unsigned int addr)
{ volatile unsigned short *ptr;
ptr=(volatile unsigned short *)addr;
return *ptr;
}

5 在XY兩軸數控伺服工作臺中的應用

XY兩軸工作臺是采用滾珠絲桿和滾動導軌傳動的十字工作臺（X、Y兩軸垂直）。X、Y兩軸兩端各有1個限位開關。采用松下交流伺服電機（型號MSMA022A1C，功率200W，額定轉速3000r/min，額定轉矩0.64Nm）驅動工作臺運動，電機驅動器采用松下伺服驅動器MSDA023A1A。采用光電編碼器作為位置反饋器件（伺服電機同軸安裝11線2500P/r增量編碼器）。

圖3是該平臺的X軸驅動原理圖，Y軸驅動與X軸驅動電路相同。圖中M為伺服電機，EC是編碼器。
將伺服驅動器的“控制模式”設置為“位置控制”，把指令脈沖設置為“CW/CCW”方式。LPC2292按流程圖操作MCX314A，設置相應的運動參數，寫入功能命令，即可完成對平臺的運動軌跡控制。

6結束語
運動控制系統應用廣泛。以運動控制器作為相對獨立的標準部件可以明顯縮短新產品的研發周期，盡快將產品投入市場。以ARM微控器和MCX314A為核心的嵌入式運動控制器，具有高速度、高精度、高效率、高可*性、成本低等特點和優勢，是運動控制器的一種良好的解決方案。在數控機床等數控裝備、機器人等領域有重要應用價值。