ARM+PCL6045B的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)
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①系統(tǒng)初始化：進(jìn)行微處理器的硬件初始化，包括輸入／輸出接口的配置、具體總線通信方式的配置以及伺服系統(tǒng)相關(guān)的接口參數(shù)配置。
②通信模塊：負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)之間的坐標(biāo)值、速度值、數(shù)控系統(tǒng)的I／O接口狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)以及數(shù)據(jù)鏈表的傳輸。
實(shí)時(shí)域建立在RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上。其實(shí)時(shí)任務(wù)通過實(shí)時(shí)進(jìn)程的方式來(lái)完成，一種為周期性(peri_odic)實(shí)時(shí)進(jìn)程，另一種為一次性(one shot)實(shí)時(shí)進(jìn)程。實(shí)時(shí)域主要包括如下4個(gè)周期性實(shí)時(shí)線程：
①狀態(tài)檢測(cè)線程(rt_monitor_thread)。本任務(wù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，負(fù)責(zé)從I／O端口讀入各個(gè)連接的I／O設(shè)備值，然后將狀態(tài)寫入狀態(tài)檢測(cè)緩沖區(qū)中，對(duì)設(shè)備急停、伺服報(bào)警、限位信號(hào)進(jìn)行判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
②插補(bǔ)線程(rt_interpolation_thread)。從譯碼緩沖區(qū)中順序取得插補(bǔ)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)是直線或者圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)得到下個(gè)周期應(yīng)該到達(dá)的理論坐標(biāo)值。
③位置控制線程(rt_position_thread)。讀取計(jì)數(shù)器中編碼器的數(shù)值，得到實(shí)際的位置，并與插補(bǔ)器中的理論位置坐標(biāo)作比較。根據(jù)差值調(diào)節(jié)PID參數(shù)，并將具體脈沖輸出數(shù)寫入對(duì)應(yīng)的PWM口的脈沖數(shù)寄存器中。
④功能控制線程(rt_function_thread)。功能控制任務(wù)利用RTAI實(shí)時(shí)管道來(lái)傳遞命令和狀態(tài)信息的功能。通過管道的命令設(shè)置實(shí)現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)部分RTAI的訪問，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行、暫停、給定速度等狀態(tài)設(shè)置。
2．1 軟件平臺(tái)的建立
軟件平臺(tái)是系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要包括：ARM-Linux的移植、串行接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、USB接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、LCD接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、觸摸屏接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)、文件系統(tǒng)的移植等。這些軟件的開發(fā)和移植在很多文獻(xiàn)中有詳細(xì)的說(shuō)明。
2．2 運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的設(shè)計(jì)
通用運(yùn)動(dòng)控制器的功能主要取決于運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)。要做成一個(gè)開放式的運(yùn)動(dòng)控制器，必須編寫豐富的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，以滿足不同的應(yīng)用要求。運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)要為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供許多運(yùn)動(dòng)函數(shù)，如單軸驅(qū)動(dòng)、兩軸直線插補(bǔ)、3軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等等。另外，為了配合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)，還編寫了一些輔助函數(shù)，如中斷處理、編碼器反饋、間隙補(bǔ)償、通用開關(guān)量的輸入輸出等。這樣，用戶在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)就不必再關(guān)心底層的東西，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面，并調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)，就可以開發(fā)出滿足要求的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
2．3 對(duì)Ljnux進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造
由于Linux不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以，利用實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁RTAI(Real Time Application Interface)。RTAI的安裝和使用詳見參考文獻(xiàn)[7]。該控制器所使用的Linux開發(fā)環(huán)境為ELDK(Embedded Linux DevelopedKit)3．0。Linux內(nèi)核為L(zhǎng)inuxp pc_2_4_devel，而RTAI的版本為24．1．12。由Linux中的init_module()和cleanup_modtde()兩個(gè)函數(shù)加載和卸載實(shí)時(shí)任務(wù)模塊，通過這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)線程及其處理函數(shù)的創(chuàng)建和回收。其關(guān)鍵程序如下：本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/152322.htm
2．4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
應(yīng)用軟件主要包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)、數(shù)控指令的編譯解釋、按鍵功能的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)視等。通過操作系統(tǒng)ARM-Linux，可方便地實(shí)現(xiàn)上述功能，并進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)輸入的數(shù)控指令文件，將其存入NAND Flash中。ARM處理器通過對(duì)數(shù)控指令進(jìn)行譯碼、速度預(yù)處理、粗插補(bǔ)計(jì)算等，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，進(jìn)而發(fā)出控制指令控制步進(jìn)或伺服系統(tǒng)去控制執(zhí)行部件進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的目的。
結(jié) 語(yǔ)
本文綜合應(yīng)用ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、DSP運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等多種技術(shù)開發(fā)出高性能的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器相比傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器，具有成本低、體積小、功耗低、功能豐富、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。以ARM微控器和PCL6045B為核心的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，采用Linux操作系統(tǒng)，經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，使系統(tǒng)能很好地進(jìn)行多任務(wù)處理，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高精度的運(yùn)動(dòng)控制需求，具有良好的運(yùn)動(dòng)控制性能。該運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，為讀者提供了一種良好的解決方案，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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