黃德天 顧培婷 黃煒欽 柳培忠

?

基于云控制的運動控制卡硬件設(shè)計與實現(xiàn)*

黃德天1顧培婷2黃煒欽2柳培忠1

1.華僑大學(xué)工學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程系 2.華僑大學(xué)工學(xué)院

該文針對現(xiàn)有運動控制卡價格高、操作不夠便捷等缺點，設(shè)計了基于云控制的運動控制卡硬件平臺。該設(shè)計采用DSP+ARM雙處理器架構(gòu)，DSP主要負責運動控制算法的實現(xiàn)，ARM充當管理者的角色，主要負責硬件資源的調(diào)度；引入以太網(wǎng)技術(shù)，通過以太網(wǎng)傳輸取代傳統(tǒng)運動控制卡基于PCI總線或ISA總線傳輸。該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)多個運動控制卡共享一臺PC主機，從而降低成本；同時由于以太網(wǎng)技術(shù)的引入，使運動控制系統(tǒng)范圍擴大，實現(xiàn)多個運動控制卡構(gòu)成一個多層次的運動控制系統(tǒng)，也便于實現(xiàn)遠程診斷功能。

云控制 運動控制卡 DSP ARM 以太網(wǎng)

1 概述

我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)正在升級換代，低端的設(shè)備制造已無法滿足高速發(fā)展的需求。隨著科技的不斷進步，自動化產(chǎn)業(yè)也在不斷進步，使得運動控制在產(chǎn)業(yè)中占有極其重要的作用，其發(fā)展前景不可估量[1-3]。運動控制卡是一種基于PC主機、通過控制步進電機或伺服電機負責運動控制領(lǐng)域的所有細節(jié)(包括位移、速度、加速度等)的控制單元[3]。運動控制卡是運動控制系統(tǒng)的重要構(gòu)成部件，主要完成實時性要求較高的工作，例如精插補算法、可編程I/O的響應(yīng)、反饋信號的接收與處理、與上位機的數(shù)據(jù)通訊以及上位機命令代碼的解析等。運動控制卡通過輸出脈沖的個數(shù)來控制設(shè)備的角位移，通過輸出脈沖的頻率來控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速。

運動控制卡的發(fā)展由早期的專用控制器，到開放式、積木式結(jié)構(gòu)控制器，再到現(xiàn)在的通用運動控制卡。國外著名的運動控制器公司包括美國GALIL公司、美國Delta Tau Data System 公司、英國Trio公司等。這些公司研制的運動控制卡設(shè)備較為先進，并且樣式繁多，包含了從低端到高端多種檔次的產(chǎn)品，形成了一套較為完整的產(chǎn)品體系。這些運動控制卡的價格通常較高，而且使用過程中需要設(shè)置眾多的參數(shù)，要求用戶具備一定的數(shù)控專業(yè)知識，從而增加了使用的難度[4-8]。在運動控制卡的發(fā)展中，我國落后于國外，但發(fā)展速度較快，產(chǎn)品質(zhì)量也逐步提高，目前國內(nèi)運動控制器公司發(fā)展較好的有雷賽智能、固高科技、眾為興、上海維宏等。國內(nèi)設(shè)計的大部分板卡是基于PCI總線或ISA總線，導(dǎo)致需要為每個運動控制卡配備一臺PC主機，不但增加了系統(tǒng)研發(fā)成本，而且不利于整個系統(tǒng)的輕便化、網(wǎng)絡(luò)化[9-12]。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和普及，市場對配備網(wǎng)絡(luò)接口的運動控制卡需求不斷增大，采用以太網(wǎng)傳輸來替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線傳輸已經(jīng)成為電機控制產(chǎn)品的主流技術(shù)，同時也逐漸成為運動控制發(fā)展的總體趨勢，然而現(xiàn)有的國內(nèi)擁有網(wǎng)絡(luò)功能的運動控制卡設(shè)備較少。本文通過設(shè)計基于DSP+ARM架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)型運動控制卡，并引入以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個運動控制卡共享一臺PC主機，從而降低研發(fā)成本，擴展運動控制系統(tǒng)范圍。

2 運動控制卡硬件平臺總體介紹和系統(tǒng)框架

隨著微電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，運動控制卡從早期基于模擬電路的設(shè)計、基于專用運動控制芯片的設(shè)計，過渡到當今世面上較為流行的基于微控制器或微處理器的設(shè)計?；谖⒖刂破?微處理器的運動控制卡設(shè)計思想，借助了微處理器較高的數(shù)據(jù)處理能力，多樣的外設(shè)接口，以及較強的執(zhí)行事件能力和數(shù)據(jù)并行處理能力。微處理器主要負責數(shù)據(jù)的處理，微控制器主要負責多軸聯(lián)動的并行插補。這種方案具有擴展性能強，兼容性好、通用性高，易于研發(fā)更多的系統(tǒng)功能，且節(jié)省研發(fā)周期和系統(tǒng)成本。

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及化，運動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向。為此，本文基于云控制的可編程運動控制卡，采用DSP+ARM的架構(gòu)，引入以太網(wǎng)控制器DP83848作為物理層收發(fā)器與ARM內(nèi)部連接。通過以太網(wǎng)構(gòu)建分布式的運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)幾個運動控制卡共享同一個主機，達到降低成本的目的。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐，極大地擴大運動控制系統(tǒng)規(guī)模；同時可以達到使用多個運動控制卡構(gòu)造多層次運動控制系統(tǒng)的功能，達到運動控制卡統(tǒng)一管理的便捷性，實現(xiàn)遠程診斷等功能更為豐富的運動控制系統(tǒng)。

運動控制卡硬件平臺的DSP選用TI公司推出的一款高性能浮點DSP控制器TMS320F28335(簡稱F28335)。它具有150MHz的高速執(zhí)行能力，且執(zhí)行單元可處理32位float類型數(shù)據(jù)，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為該公司獨具一格的更高準確度的PWM輸出 (HRPWM)，12位16通道ADC。與以往的定點DSP相比，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點。運動控制卡系統(tǒng)中，F(xiàn)28335主要執(zhí)行DDA插補算法工作。而ARM選用基于Cotex-M4內(nèi)核的高性能微處理器STM32F407(簡稱STM32)。采用帶有FPU的32位Cortex?-M4內(nèi)核，主頻高達168MHz，片上集成1MFlash存儲器并帶有存儲器保護單元。STM32F407可通過兩種標準接口實現(xiàn)與PHY模塊通信，一種是獨立于介質(zhì)的接口(MII)，另一種是簡化的獨立于接口的接口(RMII)。系統(tǒng)中，由于STM32具有較強的事件管理以及控制能力，主要充當整個系統(tǒng)平臺管理者的角色。

運動控制卡通過以太網(wǎng)接口對PC機通訊，使用DP83848作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)芯片連接到ARM芯片內(nèi)部的以太網(wǎng)控制器接口。DP83848是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一款支持單路10/100Mb/s的以太網(wǎng)收發(fā)器。此外，電機驅(qū)動接口包括四組軸方向控制信號、脈沖輸出接口、電機控制接口(驅(qū)動器報警，錯誤清除，使能接口)，每個軸有正負限位及原點輸入接口和16個可編程輸入/輸出接口。并且，增加了1個調(diào)試輸出串口，該串口也可以提供給研發(fā)人員進行編程研發(fā)。圖1是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 運動控制卡系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵模塊

3.1 以太網(wǎng)接口

STM32F407的以太網(wǎng)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，包括一個帶有專用DMA控制器的MAC 802.3。DMA與內(nèi)核和存儲器通信采用AHB的主從接口，其中AHB 主接口控制Data傳輸，AHB 從接口訪問控制和狀態(tài)寄存器空間。在通過MAC內(nèi)核傳輸信息之前，將DMA系統(tǒng)從存儲器中獲取的數(shù)據(jù)存儲在輸出FIFO中，接收FIFO緩存接收到的數(shù)據(jù)，直到通過DMA傳輸?shù)较到y(tǒng)存儲器中。

如圖2所示，STM32F407內(nèi)部含有一個以太網(wǎng)外設(shè)，只需外接一片PHY就具有了以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。該控制器可為物理層芯片支持MII和RMII接口，支持10/100Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率。設(shè)計中的PHY芯片選擇DP83848芯片，并通過MII方式連接，如圖3所示。

圖2 STM32F407以太網(wǎng)控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 STM32與DP83848連接框圖

3.2 存儲器接口

在一些生產(chǎn)環(huán)境中，如皮革制造中，由于產(chǎn)品輪廓樣式幾乎不變，通常使用設(shè)計好的模板，為了節(jié)省加工成本和加快加工程序，可以使用一個存儲器來存儲這些模板和系統(tǒng)參數(shù)信息。該運動控制卡采用的存儲器是2MB的SPI接口的Flash芯片SST25VF106B。當軌跡信息存入存儲器后，用戶可以根據(jù)需要調(diào)用訪問這些數(shù)據(jù)，同時也支持離線使用存儲器中的模板庫。

3.3 控制卡接口部分設(shè)計

控制卡的接口主要有以下幾種：

(1) 與電機驅(qū)動器連接的電機驅(qū)動接口。包括電機驅(qū)動器使能信號輸入接口、電機錯誤報警信號輸出接口、電機驅(qū)動器錯誤清除信號輸出接口、電機的脈沖方向信號接口。

(2) 與限位開關(guān)連接的正負限位/原點信號輸入接口。每個軸都包含正負限位輸入信號接口和一個原點信號輸入接口。當有限位信號輸入的時候，對應(yīng)軸將會停止運動，直到限位信號撤銷為止。

(3)可編程IO接口。一般的CNC系統(tǒng)中，運動控制卡不僅負責運動控制的任務(wù)，這些系統(tǒng)中都存在一些如按鈕開關(guān)、狀態(tài)顯示燈，或者一些執(zhí)行機構(gòu)如冷卻泵、電磁閥、激光控制器等需要運動控制卡對其進行控制，這一類控制往往比較簡單，只需要在特定的時間給出一個電平信號或者脈沖信號來觸發(fā)這些外圍設(shè)備，但是這些控制也會隨著應(yīng)用場合的不同而不同。為了使得該運動控制卡能夠具有較強的通用性，該設(shè)計將這些可編程輸入引腳的控制掛接在中斷引腳上，當對應(yīng)事件產(chǎn)生觸發(fā)信號時，執(zhí)行對應(yīng)的中斷服務(wù)程序?？删幊梯敵鲆_也可以通過調(diào)用已經(jīng)封裝好的庫函數(shù)以電平方式，以單個邊緣觸發(fā)信號或者周期信號的方式輸出控制信號。

3.4 控制卡接口重要組件

3.4.1 信號的處理部分

為了解決夾雜在輸入信號中的干擾信號進入運動控制卡，使控制卡產(chǎn)生不正確的判斷，從而產(chǎn)生不正確的相應(yīng)信號輸出到外界的執(zhí)行機構(gòu)，導(dǎo)致不規(guī)范的操作被執(zhí)行，有必要對輸入、輸出信號做相應(yīng)的處理。該部分包括單端信號轉(zhuǎn)化為差分信號、輸入端與輸出端的光電隔離、信號的進一步整形三部分。

干擾源信號具有較強的抗干擾性，其對差分信號的每個端產(chǎn)生同等程度的作用。在系統(tǒng)信號處理部分，采用了兩片AM26L31差分驅(qū)動芯片，將DSP輸出的單端脈沖方向信號變?yōu)椴罘中盘?。該芯片集成?路通道，具有有效傳輸距離遠、響應(yīng)快速的特性，有效傳輸距離大于1000m，響應(yīng)時間小于50ns。

3.4.2 光電耦合器

當運動控制卡與其他控制系統(tǒng)外圍設(shè)備連接時，由于電壓和電流不匹配，會受到外圍設(shè)備高壓大電流信號的破壞影響，可能對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，造成誤導(dǎo)性判斷，或是損壞控制卡設(shè)備，使得設(shè)備不能正常使用。為了避免因外設(shè)高壓大電流的輸入引起設(shè)備損壞，該系統(tǒng)在信號兩端口均采用光電耦合器進行隔離。光電耦合器是通過發(fā)光二極管發(fā)光使得半導(dǎo)體產(chǎn)生電流，其輸入端和輸出端在電氣上是處于隔絕狀態(tài)的，這就導(dǎo)致了加載在輸入信號的各種干擾信號被阻隔在輸入端，從而避免了這些干擾源的影響。由于光電耦合器輸入端和輸出端之間的耐壓值很高，還能很好地保護運動控制卡的完整性。

本設(shè)計使用的是6N137高速光耦，最高速度可達10Mbit/s，引腳2和引腳3均可以作為信號的輸入引腳，如果信號從2引腳輸入，同時3引腳接地，那么相當于非門，如果信號從3引腳輸入，2引腳接高電平，那么信號在傳輸過程中的邏輯狀態(tài)不變。

3.4.3 信號整形部分

由于脈沖在傳輸中仍會因干擾造成波形不正常，使得上升沿和下降沿不夠準確并且信號不夠平滑，導(dǎo)致有毛刺產(chǎn)生。為了解決信號質(zhì)量不理想問題，系統(tǒng)在重要信號的后端增加了整形電路，即采用帶有施密特觸發(fā)功能的74HC14門電路，進一步改善信號的質(zhì)量，從而獲得更為可靠的波形。圖4為信號整形部分的原理圖。

圖4 信號整形部分的原理圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于云控制的可編程運動控制卡，采用DSP+ARM雙處理器架構(gòu)，引入以太網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個控制卡共享1臺PC主機，可以解決PC機資源浪費、生產(chǎn)成本高、系統(tǒng)不利于小型化等問題。通過以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建分布式的運動控制系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進行傳輸和控制，可以不受空間約束，實現(xiàn)遠程診斷，極大提高系統(tǒng)的操作與管理便捷性。本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)型運動控制卡具有比基于PCI總線或ISA總線的運動控制卡具有更好的控制性能，促進了網(wǎng)絡(luò)傳輸替代現(xiàn)場總線成為電機控制產(chǎn)品主流技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 張從鵬,劉同,趙康康.基于DSC和FPGA的運動控制卡設(shè)計[J].機床與液壓,2016，44(2):156-158.

[2] 張清勇,張丹紅,姜文.基于PC機和運動控制卡的運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版),2015,37(6):837-840.

[3]郭梅,張立新,黃慶林,等.基于 GTS-400 運動控制卡鉆銑平臺結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].石河子大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,33(2): 252-257.

[4] 王陽.基于云模型的交通信號自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究[D].北京: 北京交通大學(xué)，2007：9-20.

[5] 王鵬,賀健琪,宋敏.基于單片機+FPGA的多軸運動控制卡設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2015,23(21): 61-64.

[6] 勞奇成,王義智,李武.基于DSP和CPLD的運動控制卡插補器設(shè)計[J].機床與液壓,2014，42(4):92-94.

[7] 楊秀增.基于FPGA的高速五軸步進電機運動控制卡設(shè)計[J].機床與液壓,2012，40(4):66-71.

[8] 張義軍,茍向峰,陳德道.基于MPC2810運動控制卡的數(shù)控系統(tǒng)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2012,31(3):134-136.

[9] 回立川,林輝.基于迭代學(xué)習的云控制設(shè)計研究及應(yīng)用[J].計算機工程與應(yīng)用，2008，44(9):220-222.

[10] 吳濤,金義富.基于云控制的自適應(yīng)遺傳算法[J].計算機工程，2011，37(8):189-191.

[11] 劉羅仁,羅金玲.基于云模型的單路口交通信號自適應(yīng)控制方法研究[J].計算機測量與控制.2011，19(9):2157-2159, 2163.

[12] 劉冬,陳楷,任紅.基于運動控制卡的數(shù)字化制造系統(tǒng)研究[J].自動化與儀器儀表,2015(7): 7-10.

* 泉州市科技計劃項目“基于云控制的運動控制卡的設(shè)計及其在數(shù)控機床中的應(yīng)用”(編號：2014Z113)的階段性成果之一。