体系结构源于“开放式”的PC(个人计算机) 技术, 目前的开放式运动多为PC+运动控制卡结构, 随着的紧凑结构较PC有更广泛的环境适应性。MCU、DSP和PC差异较大, PC环境中的运动控制技术不可能直接向MCU和DSP系统中转移, 基于MCU和DSP

　　在开放式技术的推动下, 运动控制系统由传统的封闭式结构朝着开放、可重构、网络化方向发展。按照《开放式数控系统第1 部分: 总则》(GB/T18759.1- 2002) 的定义, 开放式数控系统有三个层次的开放, 第一层, 系统功能可配置, 人机界面、伺服驱动单元的运动控制接口、逻辑控制单元接口均开放; 第二层, 系统软件体系结构、拓扑结构和应用软件接口开放, 第三方的应用软件能在系统中安装运行并实现互操作性, 且第三方的软件模块可以在拓扑结构不变的情况下对本系统软件模块置换和扩展; 第三层, 系统实现可重构。国标GB/T 18759.1- 2002 尚未公布可重构的详细内容。运动控制系统是数控系统的一个核心组件, 其技术发展方向和开放式数控系统类似。现代运动联通信息网、逻辑控制网和伺服控制网(接口) 三种网络。

　　和PC相比, MCU和DSP采用了哈佛结构, 流水线技术, 超长指令字, 加乘器等提高CPU速度, 并在片上扩展了控制用前向和后向通道外设及通信接口, 在这种环境下, 实现开放、可重构和网络化运动控制功能, 下列研究是必要的:

　　基于MCU和DSP的运动控制技术研究硬件平台的设计目标是为上述研究课题提供硬件系统环境, 以MCU或DSP为核心的商品化运动并不少见,但它们只对用户提供运动控制函数库的接口, 并不是完全意义上的开放, 必须开发运动的硬件研究平台, 并满足下列要求:

　　①类型与结构化模式要求:CPU选型应是主流的MCU和DSP芯片,结构体系采用单CPU,双CPU流水线模式和层次化结构, CPU可以独立工作, 可以组成流水线模式工作。也可以采用两层结构,上下层分别处理不同实时要求的任务。

　　②开放性要求:各CPU单元配置计算机通信接口, 如RS232、PCI、CANUSB等, 可以方便地实现硬件互联。

　　联通人机界面和三种网络。与人机界面的联接多采用开放的工业现场总线ModBus 等;通过以太网接口与Internet/Intranet联接, 实现与管理信息系统的交互;多通过现场总线如CAN、ModBus和RS485等与网络化的PLC工作站通信, 处理控制对象的大量I/O;和高速伺服网络联接, 传送伺服放大器的控制信号, 但该方案技术难度高, 只有少数企业采用专用的高速伺服通信网络实现了伺服电机的组网, 多数方案还是采用的规范化的电机接口, 一个伺服电机的接口如下:

　　上层处理复杂控制算法及弱实时任务, 下层处理插补与伺服控制等强实时任务。两个DSP构成双DSP流水线模块, 并行处理复杂实时控制任务。

　　MCU与DSP芯片选型的原则是适用与广泛性原则, 选用的芯片适用于开放式设计并有广泛的硬件与软件资源。S3C2410A芯片采用ARM920T内核, 主频高达266MHz, 支持WinCE与Linux及μC/OS- II实时操作系统, 可扩展的地址空间1G, 并配有中断、AD、UART、GPIO、触摸屏和TFT接口等片上外设; 德洲仪器公司的TMS320F2812DSP 芯片的主频150MHz, 支持DSP/BIOS和μC/OS- II 实时操作系统, 可扩展的地址空间为1M, 并配有中断、AD、串行接口、事件管理器等片上外设。这两种CPU中,S3C2410A主要用于控制系统管理、监控和复杂控制算法的实现, DSP主要用于伺服电机接口和反馈、滤波等强实时控制算法的实现。

　　三块主机板可以单独使用, 也可以组合使用, 它提供了MCU和DSP及双DSP的硬件平台S3C2410A。主机板的USB是Host, 另两块板的USB是Device配置, 另外, S3C2410A主机板和F2812主机板还通过背板有串口通信、GPIO及中断沟通, 可以组合成一个以S3C2410A主机板为上位机, F2812 - 1和F2812- 2主机板为下位机的双层结构, S3C2410A主机板处理弱实时任务, DSP处理强实时任务;

　　弱实时任务包括系统监控、模糊与神经网络等复杂控制算法, 强实时任务包括插补计算、数字滤波和PID控制等算法。由此来验证MCU和DSP环境中的算法可行性。

　　F2812-1主机板原理框图如图5所示, 选用IS61V5126, 扩展256KROM空间, 选用AM29LV800BT扩展512KFlash, 选用XC95144XL进行GPIO地址译码, 选用AN2131Q作USB Device的扩展, 在McBSP串口上扩展16位DAC8534A用于伺服的速度与力矩控制。特别的, F2812提供了完善的伺服电机接口, 它有两个事件管理器, 每个事件管理器包括两个通用计数器, 三个比较/PWM单元, 三个捕捉单元, QEP通道。PWM和通用计数器配合可用作伺服的位置控制模式输入, QEP通道可用作伺服电机的位置编码器脉冲输入, 执行器终端的编码器信号通过CPLD扩展QEP输入。

　　F2812-2主机板原理框图如图6所示, 为了验证多电机的并行控制算法, 在F2812-1主机板的基础上, 用双口RAMIDT70V25将两个CPU联接起来, 形成了一个对称结构。按目前板上的电机接口配置, 每块板可接两路全闭环伺服电机, F2812-2主机板可接四路全闭环的伺服电机。

　　选用S3C2410A和F2812作运动控制系统的嵌入硬件研究平台, 组成一个多CPU的双层结构,既可以单独进行单MCU和DSP环境中的运动控制算法研究, 又可以进行多CPU平行模式的复杂运动控制系统研究。系统简练、可靠, 符合运动的开放式、可重构和网络化的发展方向。

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