基于PCI總線的STM32運動控制卡的設計

摘要：在深入分析了意法半導體公司推出的STM32、高速PCI總線以及運動控制卡的功能和結(jié)構(gòu)特點的基礎上，設計了一款可直接插在PCI插槽中的伺服運動控制卡。不僅可大大降低了成本，更為開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究提供了一個全新的思路。結(jié)果表明，本文所設計的伺服控制卡滿足了目前控制系統(tǒng)的性能和要求。
關(guān)鍵詞：PMSM；STM32；運動控制卡；PCI

伴隨著計算機的普及，PC的性能、可靠性及應用環(huán)境也已經(jīng)今非昔比，在工業(yè)領域方面PC擁有大量的支持軟件用以改善用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、故障診斷、網(wǎng)絡通訊等諸多功能，此外，在總線的開發(fā)也因PC豐富的接口資源和模塊化設計而變得簡單。因此，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)絕對是未來控制系統(tǒng)主流主流方向，發(fā)展開放式和形成具有自主產(chǎn)權(quán)軟件型數(shù)字控制系統(tǒng)，是我國數(shù)控發(fā)展邁出實質(zhì)性突破和趕超世界先進水平的一次良機。因此，文中研究課題主要對數(shù)控系統(tǒng)實際要求出發(fā)，結(jié)合PC和高性價比的ARM系列芯片，利用模糊控制算法，設計一款性能穩(wěn)定，高精度的伺服控制器，為推進伺服技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用的是“PC+運動控制卡”形式。其中，計算機機作為上位機，可以滿足控制環(huán)節(jié)多、軌跡復雜、強柔性的設備的控制要求。
以ARM為核心的控制卡作為下位機，主要負責總線通信、步進和伺服電機的控制，這樣就形成了以ARM的CPU和計算機CPU主從式雙CPU控制模式。計算機的多任務調(diào)度和強大的處理能力，加上微處理芯片的現(xiàn)場適應能力及高性價比，使得系統(tǒng)開放性好，可靠性高，并基本滿足現(xiàn)階段絕大多數(shù)工業(yè)控制的要求。

2 運動控制卡硬件設計
2．1 雙口RAM與STM和CH365的連接
本文基于PCI總線的運動控制卡硬件方面主要包括2個部分：1)STM32最小系統(tǒng)，2)PCI總線。選用雙口RAM芯片IDT7025作為STM32與CH365雙向通訊的緩沖芯片。
本設計中，雙口RAM IDT7025作為STM32與PC都可以讀寫RAM中的數(shù)據(jù)，RAM右端與PCI通信芯片CH365連接，這樣就可以映射到CH365的存儲空間；左端口則與STM32相連，便于STM32的隨時訪問。其中IDT7025需要5 V電壓供電，而ARM芯片的供電電壓時3．3 V，所以需要電壓轉(zhuǎn)換，這里選擇了SN74LVTH16245。這部分的連接如圖2所示。本文將雙口RAM分成兩個獨立的存儲空間；高4 k空間用于計算機向STM32傳送控制指令，低4 k空間用于STM32向PC傳遞反饋的數(shù)據(jù)。

2．2 CH365與PCI接口實現(xiàn)
CH365與PCI部分的連接如圖3所示。圖中，電容C1～C4完成電源的去耦，C2～C4是大小為0．1 μF的高頻瓷片電容，PCB設計過程中就近并聯(lián)在芯片CH365的三組電源輸入輸出引腳上。而地址線A15～A0作為偏移地址，數(shù)據(jù)總線D7～D0配置為讀操作時的數(shù)據(jù)輸入，以及寫操作時的數(shù)據(jù)輸出。IOP_RD為提供I／O讀操作時片選脈沖信號，同樣，IOP_WR用于提供I／O寫操作時的片選信號，MEM_RD用于提供存儲器讀選通脈沖信號，MEM_WR用于提供存儲器寫選通脈沖信號，上述引腳的讀寫選通脈沖信號都是低電平有效。在I／O讀寫過程中，CH365的A7～A0輸出I／O端口提供給其他設備的有效的位偏移地址，偏移地址也可以被譯碼產(chǎn)生二級片選信號去適應控制的要求。同樣，在I／O讀寫過程當中，CH365的A15～A10的電平保持恒定，內(nèi)部寄存器可以在輸出之前決定要輸出狀態(tài)，A9～A8負責完整的輸出PCI總線地址，通過對CH365的A9～A0的輸出地址的譯碼就可以使用芯片擁有的本地硬件定址功能，通過MER_WR引腳向CH365芯片發(fā)送本地定址的請求，最終實現(xiàn)與ISA總線相兼容的地址范圍內(nèi)的I／O端口定址。因此，在讀寫操作發(fā)生的過程中，CH365的A14～A0輸出提供的有效偏移地址；CH365的A15電平維持不變，由內(nèi)部寄存器提前設定電平高低，用實現(xiàn)地址線擴展或者頁面選擇；而區(qū)分各個端口則通過CH365的A7～A0的地址譯碼來完成。

3 運動控制卡軟件設計
3．1 參數(shù)自調(diào)整在線插值模糊控制算法
經(jīng)典的在線模糊PID算法的實現(xiàn)實質(zhì)上是一個查表輸出的過程，因為誤差與誤差變化率均被不可避免的模糊量化相對取整，使控制器凋節(jié)出現(xiàn)死區(qū)，控制參數(shù)的分區(qū)會引起的調(diào)節(jié)不細。從理論上講，只要不斷增加控制模糊化量個數(shù)，進行等級細分，但它勢必受計算機字長限制，使模糊控制沒有了優(yōu)勢。
在線插值算法等同于將論域內(nèi)的分檔趨于無窮大，即通過線性插值的方式在控制規(guī)則表相鄰分檔之間增添無窮個新的、細分化的控制規(guī)則，對原有的控制規(guī)則加以完善，是一種快速精確的而且切實可行的控制算法。

參數(shù)自調(diào)整在線插值模糊控制器如圖4所示。量化參數(shù)、比例系數(shù)Ku都會影響系統(tǒng)動、靜態(tài)性能，調(diào)節(jié)比例因子的因果關(guān)系很直觀，最終也會起到影響Ke和Kec的作用，選擇在線自調(diào)整Ku值能夠起到良好的效果，不至系統(tǒng)過于復雜而影響實時性。
文中利用在線差值控制算法的特點，設計了算法實現(xiàn)的軟件流程，如圖5所示。

3．2 操作系統(tǒng)下的功能實現(xiàn)
為滿足多任務的調(diào)度和系統(tǒng)實時性的要求，軟件的整體實現(xiàn)，本設計引入μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。
3．2．1 RTL8019AS底層驅(qū)動程序
通常情況下，用戶根據(jù)硬件芯片型號找到RTL8019AS底層驅(qū)動程序庫的編寫所需要的文檔資料即可編寫相關(guān)的底層函數(shù)，其主要功能函數(shù)如下：
NicInit()一RTL8019AS的初始化；
NicClose()一關(guān)閉RTL8019AS芯片數(shù)據(jù)收發(fā)功能；
NicReset()一復位RTL8019AS芯片；
EtherOutput()一數(shù)據(jù)包輸出；
Etherlnput()一數(shù)據(jù)包接收。
網(wǎng)絡通信還需要底層RTL8019AS驅(qū)動程序支持，參考R，rL8019AS以及AT91FR40162，即可編寫出針對此系統(tǒng)的RTL8019AS底層驅(qū)動程序。
3．2．2 基于μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)主函數(shù)及相關(guān)任務的編寫與嵌入

4 結(jié)束語
對上述的程序進行調(diào)試后，并結(jié)合硬件調(diào)試表明文中所設計的運動控制卡能夠?qū)崿F(xiàn)準確的位置及速度控制，受控電機運行平穩(wěn)，基本能實現(xiàn)對電機的控制功能，通信穩(wěn)定。對于長期的穩(wěn)定性測試，現(xiàn)在浙江紹興某襪機公司的試著運營階段，初期表現(xiàn)良好。