基于嵌入式运动控制器系统的设计与开发

摘要:本文综合运用嵌入式系统技术和运动控制技术,采用X86架构的PC104作为核心中央处理器的方案,详细介绍了嵌入式运动控制器的硬件设计,及如何使用WindowsCEPlatformBuilder开发平台,进行裁减和定制嵌入式运动控制器的WindowsCE操作系统平台,进行软件设计。

关键词:嵌入式系统,运动控制器,自动控制

1引言

目前,嵌入式技术已成为通讯、控制和消费类产品的发展方向,嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成,它的开发应用已被列入国家重点科技发展计划,以其体积小、功能强、价格低的优势而得到日益广泛的应用,已成为工业自动化应用的一种趋势。

运动控制器技术,是综合应用自动控制、计算机控制等相关技术,对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理,使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。嵌入式结构的运动控制器把计算机嵌入到运动控制器中,能够独立运行,它与计算机之间的通信采用了可靠的总线连接方式(采用针式连接器),更加适合工业应用。

2系统硬件平台设计

嵌入式运动控制器主要包括两个部分:嵌入式CPU主板和运动控制模块[1][2][3][12]。运动控制模块可采用固高科技有限公司的高性能运动控制板卡,在高性能运动模块的基础上,对嵌入式处理器部分有严格的要求,例如:对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间;具有功能较强的存储区保护功能;可扩展生长的处理器结构,能迅速地开发出满足各种应用性能的嵌入式微处理器;功耗很低等等。

图1PC104模块

可选的方案包括:1)基于单片机,适合于数据量小、速度较低、功能简单的现场控制,无法胜任要求高速、高精度的运动控制器。2)基于ARM架构或其他微控制器,优势在于简单的设计和高效的指令集,但是目前对现有通用软件的兼容性不理想,必须培训专门的软件人员。3)PC104的X86架构,即X86体系结构的CPU,主要是Intel公司的CPU,也包括AMD、威盛、ICOP(昭营科技)等公司与其兼容的CPU。通过PC104总线,连接X86架构的PC机主板与运动控制板卡,组成嵌入式运动控制器。在非常成熟的运动控制板卡技术的基础上,这种形式的嵌入式运动控制器实现简单,开发时间较短。

因此选用了ICOP-6070嵌入式主板作为系统核心,具体接口见图1。除了核心控制模块外,就是运动控制模块,它是具体动作的执行者。嵌入式PC104主机板通过插件直接插装在运动控制卡上,运控卡上有两个DB62插座,连接到端子板上,再由端子板给出控制电机信号。由于运动控制器和计算机模块之间分别采用插针式的连接,相互独立,运动控制器和PC板都可以作为一个独立的模块,生产升级容易,维修方便,可靠性也相对较高。

图2为嵌入式PC104主板和运动控制卡之间机械连接示意图。

图2核心模块与运控模块的连接示意图

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