摘要：ARM處理器是業(yè)界領(lǐng)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(lián)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(tǒng)的構(gòu)成，給出了運動控制器在XY兩軸數(shù)控伺服工作臺控制中的應(yīng)用實例。
關(guān)鍵詞：運動控制；微控器；數(shù)控

1 引言
運動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造加工業(yè)、機器人、電子機械、紡織機械、食品加工、辦公設(shè)備、家用電器等?？刂剖菫榱藢崿F(xiàn)預(yù)期運動軌跡和速度、加速度、力等運動參數(shù)而采取的必要手段。運動控制器為實現(xiàn)運動控制提供了一個基礎(chǔ)平臺，在這個平臺上可以方便地實現(xiàn)對多個電機的協(xié)調(diào)控制。發(fā)揮ARM微控器與MCX314A各自的優(yōu)勢，將兩者有機融合可方便地構(gòu)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(qū)動的位置、速度和插補控制，可用于工業(yè)自動化設(shè)備、工業(yè)機器人、測量設(shè)備、辦公設(shè)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(qū)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(shù)據(jù)總線接口，其所有的功能都是通過讀寫內(nèi)部命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和模式寄存器而實現(xiàn)。各軸都有32位的邏輯位置計數(shù)器（對輸出的驅(qū)動脈沖計數(shù)）、實際位置計數(shù)器（對外部編碼器計數(shù)）和比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)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(yè)級ARM微控制器，片內(nèi)帶有256 kB高速Flash ROM和16kB靜態(tài)RAM，且具有外部存儲器接口。通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。LPC2292采用144腳LQFP封裝，內(nèi)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(yè)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(yè)嵌入式控制應(yīng)用。

4 運動控制器的基本構(gòu)成
4.1 硬件系統(tǒng)
ARM微控制器LPC2292通過16位數(shù)據(jù)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(yīng)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(fù)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(xiàn)相應(yīng)的功能。
圖1中虛線框內(nèi)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(qū)動脈沖，在脈沖/方向模式時輸出驅(qū)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(qū)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(shù)（如軌跡坐標、運動參數(shù)）。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(tǒng)和其他控制器間通信，控制器設(shè)計有RS232、CAN和以太網(wǎng)通信功能。CAN收發(fā)器采用TJA1050， RS232電平與3.3V電平轉(zhuǎn)換IC采用SP3232E，以太網(wǎng)接口控制器采用RTL8019AS。通信接口可以根據(jù)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(tǒng)融合。ARM控制器可方便地把CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的G、M數(shù)控代碼直接轉(zhuǎn)換成MCX314A的命令。MCX314A執(zhí)行命令，產(chǎn)生控制脈沖給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動機械部件形成期望的運動。
4.2 軟件系統(tǒng)
LPC2292要完成通信、人機交互、運行控制算法產(chǎn)生控制指令、MCX314A的讀寫操作等多任務(wù)。在控制器中嵌入實時多任務(wù)μC/OS-II操作系統(tǒng)給軟件系統(tǒng)設(shè)計帶來便利，移植的技術(shù)細節(jié)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(shè)計來說就是按一定的時序讀寫其內(nèi)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(shù)據(jù)寄存器WR6～7；可“讀”的寄存器有：主狀態(tài)寄存器RR0，狀態(tài)寄存器RR1～5，數(shù)據(jù)寄存器RR6～7。
ARM處理器將I/O端口和存儲器統(tǒng)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(shè)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(fā)套件ADS1.2(CodeWarrior for ARM Developer Suite)沒有提供outpw和inpw函數(shù)。下面提供這兩函數(shù)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(shù)控伺服工作臺中的應(yīng)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(guān)。采用松下交流伺服電機（型號MSMA022A1C，功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.64Nm）驅(qū)動工作臺運動，電機驅(qū)動器采用松下伺服驅(qū)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(qū)動原理圖，Y軸驅(qū)動與X軸驅(qū)動電路相同。圖中M為伺服電機，EC是編碼器。
將伺服驅(qū)動器的“控制模式”設(shè)置為“位置控制”，把指令脈沖設(shè)置為“CW/CCW”方式。LPC2292按流程圖操作MCX314A，設(shè)置相應(yīng)的運動參數(shù)，寫入功能命令，即可完成對平臺的運動軌跡控制。

6結(jié)束語
運動控制系統(tǒng)應(yīng)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(chǎn)品的研發(fā)周期，盡快將產(chǎn)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(yōu)勢，是運動控制器的一種良好的解決方案。在數(shù)控機床等數(shù)控裝備、機器人等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值。