（通信与信息系统专业论文）基于can总线的独立运动控制器的设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，由于微电子技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，c a n 现场 总线技术作为一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信局域网络，因其 具有通信速率高、开放性好、纠错能力强以及控制简单、传输可靠性高、扩展 能力强、系统成本低等诸多优点，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机 构之间的数据通信。同时，由于以d s p 、a r m 为代表的高速、高性能专用微处 理器的出现和p c 机的广泛普及，运动控制器朝着“p c + 运动控制器”的开放式 模式发展。本课题结合c a n 总线技术与开放式运动控制技术，选用内嵌c a n 控制器的a r m 7 芯片l p c 2 1 1 9 ，设计了一种针对交流伺服电机的独立运动控制 器，即运动控制器放在p c 机箱外，p c 机通过c a n 接口适配器联入c a n 总线， 运动控制器与p c 机通过c a n 总线进行信息交换。 本文主要研究内容如下： 首先，在分析了运动控制器的国内外发展现状与所要实现功能的基础上， 提出本课题运动控制器的软硬件设计方案。 其次，围绕l p c 2 1 1 9 核心处理单元设计了运动控制器的d a 输出电路，编 码器反馈处理电路，数字量输入输出电路，c a n 通信接口电路与开关电源电路。 然后，在软件设计方面，从功能模块化的角度分别介绍了运动控制器的位置 控制程序设计，插补算法程序设计和c a n 通信程序设计等。其中位置控制程序 采用增量p i d 算法来调节输出进给速度，具有原理简单、易于实现的优点。插补 算法设计主要包括数据采样直线圆弧插补和一种改进型的三次b 样条曲线插补 算法设计。c a n 通信程序设计详细介绍了c a n 底层协议中的c a n 初始化程序 设计，发送接收程序设计与中断处理程序设计，同时介绍了广州周立功单片机有 限公司制定的c a n 应用层协议1 c a n 协议，并将它应用到本设计中去。 最后，将运动控制器应用于数控火焰切割机系统，并用智能测控模块模拟伺 服执行机构，用l a b v i e w 编写的上位p c 机测试界面来动态显示运动轨迹，从 而模拟了火焰切割机的实际工作过程。 关键词：c a n 总线；a i t m ；运动控制器；火焰切割机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 诵t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o c l c c t r o n i et e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o n , a n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y t h ec a nf i e l db u st e c h n o l o g yt a k e o n ek i n d s u p p o r t s t h e d i s t r i b u t i o n a lc o n t r o la n dt h er e a l - t i m ec o n t r o ls e r i a l c o m m u n i c a t i o nl a nn e t w o r k ( l o c a la r e an e t w o r k ) e f f e c t i v e l y , b e c a u s ei th a sm a n y m e r i t s ，s u c ha sh i g hs p e e dc o r r e s p o n d e n c e ，o p e n n e s sg o o d , s t r o n ge r r o rc o r r e c t i o n a b i l i t ya sw e l la st h es i m p l ec o n t r o l ，h i g ht r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y , s t r o n ge x p a n s i o n a b i l i t y , a n dt h el o ws y s t e mc o s t , w h i c h h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ec o n t r o ls y s t e m b e “v e e ne v e r ye x a m i n a t i o na n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c yd a t ac o m m u n i c a t i o n i nt h e m e a n w h i l e ，w i md s p , a r ma st y p i c a ls y m b o lo fh i g hs p e e da n dt h eh i g h p e r f o r m a n c es p e c i a l - p u r p o s em i c r o p r o c e s s o ra p p e a r sa n dt h ep c i sw i d e l ys p r e a do u t , t h em o t i o nc o n t r o l l e ri si nt h ep r o g r e s st o w a r dt h ed e v e l o p m e n to f t h ep c + m o t i o n c o n t r o l l e r 也eo p e ns t y l ep a t t e r n t h i sp r o j e c tc o m b i n et h ec a nb u st e c h n o l o g y w i t ht h eo p e ns t y l em o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , b a s e do nt h ei n l a y sc a nc o n t r o l l e r a r m 7c o n t r o lc h i pl p c 2 1 1 9 ，a n dd e s i g nak i n do ft h ee x c h a n g es e r v ee l e c t r i c a l m a c h i n e r yo fi n d e p e n d e n c em o t i o nc o n t r o l l e r , n a m e l yt h em o t i o nc o n t r o l l e rp l a c e s t h eo u t s i d eo ft h ep ce n g i n ec a s ea n dp cm a c h i n eu n i t e st h ec a nb u st h r o u g ht h e c a nc o n n e c t i o na d a p t e r , a n dt h e nt h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dp cm a c h i n ec a l t i e so n t h ee x c h a n g eo f i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h ec a nb u s t h i sp a p e rm a i nr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t , i na n a l r z c dt h em o t i o nc o n t r o l l e rd o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n t p r e s e n ts i t u a t i o n 谢t ht oh a v et or e a l l t 2i nt h ef u n c t i o nf o u n d a t i o n , p r o p o s e dt h i s t o p i cm o t i o nc o n t r o l l e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g np r o p o s a l n e x t , r e v o l v e dt h el p c 2 11 9c o r ep r o c e s s i n gu n i tt od e s i g nt h em o t i o nc o n t r o l l e r d ao u t p u tc i r c u i t , t h ee n e o d c rf e e d b a c kp r o c e s s i n gc i r c u i t , t h ed i g i t a lq u a n t i t yi n p u t o u t p u tc i r c u i t , t h ec a nc o r r e s p o n d e n c ec o n n e a , 吐i o nc i r c u i ta n dt h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l yc i r c u i t t h e n , i nt h es o f t w a r ed e s i g na s p e c t , s q y a r a t e l yi n t r o d u c e dt h em o t i o nc o n t r o l l e r 武汉理工大学硕士学位论文 p o s i t i o nc o n h v lp r o g r a m m i n gf r o mt h ef u n c t i o nm o d u l a t i o na n o e , t h ei n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h mp r o g r a m m i n ga n dt h ec a ns i g n a lp r o c e d u r ed e s i g ne t c p o s i t i o nc o n t r o l p r o c e d u r eu s e st h ei n c r e a s ep da l g o r i t h mt oa d j u s tt h eo u t p u tf e e dr a t e h a sm e r i t w h i c ht h ep r i n c i p l es i m p l e e a s yt or e a l i z e n 垃i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h md e s i g nm a i n l y i n c l u d e st h ed a t as a m p l i n gs t r a i g h tl i n ec i r c u l a ra r ci n t e r p o l a t i o na n do n ek i n do f a d v a n c e dv e r s i o nt h r e ebt r a n s e c tc u r v ei n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h md e s i g n c a n c o r r e s p o n d e n c e sp r o c 州u l ed e s i g ni n t r o d u c e di nd e t a i lc a nb o t t o ml a y e rp r o t o c o lc a n i n i t i a l i z a t i o nr o u t i n ed e s i g n , t h et r a m m i s s i o nr e c e i v ep r o g r a m m i n ga n dt h ei n t e r r u p tp r o c e s s i n g p r o c e s sp r o g r a m m i n g , a tt h es a m et i m ei n m ) d u c e dt h eg u a n g z h o uz l gm c u l i m i t e dc o m p a n y f o r m u l a t e st h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l 一i c a np r o t o c o l , a n da p p l i e si ti nt h i sd e s i g n f i n a l l y , a p p l i e st h em o t i o nc o n 在 o l l e ri nt h en u m e r i c a lc o n t r o lf l a m ec u t t e rs y s t e m , a n d , 哪i t ht h ei n t e l l i g e n ta n dc o n t r o lm o d u l es i m u l a t i o ns e l n oa c t t l a t o r , o np o s i t i o np c m a c h i n et e s tc o n t a c ts u r f a c ew h i c hc o m p i l e s 、】v i l hl 墟v m wc o m e st h ed y n a m i c d e m o n s t r a t i o np a t h , t h u sh a ss i m u l a t e dt h ef l a m ec u t t e rp r a c t i c a lw o r kp r o c e s s k e y w o r d s ：c a nb u s ；a r m ；m o t i o nc o n t r o l l e r ；, i a m ec u t t e r i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝尘鳢日期；兰：! i 墼9 1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝尘垒丛导师签名：醚 e t 期：竺罩堡翻订目 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 近年来，由于微电子技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，使工业控 制网络更加广泛地应用于生产实践中。工业控制系统由原来单一、独立的控制 系统发展到复杂、集成的工业控制网，从模拟控制到数字控制，从d d s u ( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ) 至0p l c 2 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，从集散控制d c s 闭 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 到现场总线。特别是近年来发展起来的现场总线 技术，以其灵活的控制方式、信息共享和低成本等特点，被广泛用于复杂的控 制系统中，构成多层的开放的自动化系统结构。而其中的c a n 【4 】( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 现场总线，作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远 程网络通讯控制方式，更是逐步被广泛应用到各种控制领域。 同时，数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，简称n c s ) 也由传统封闭式的 数控系统发展为基于p c 的开放式数控系统( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， 简称c n c s ) 网。采用基于p c 的开放式数控系统，无论对控制系统开发商、机 床厂还是最终用户均有益处。对控制系统开发商，可在共同的标准平台上建立 广泛的合作，实现厂家的协作式开发，这将大大缩短系统的开发周期，减少投 资，增强产品竞争力。而其中作为开放式数控系统关键部件之一的运动控制器， 它是通过对以电机驱动的执行机构进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的 装置，所以它的好坏将直接影响到整个数控系统的控制精度和速度。 本文将c a n 总线技术融合到运动控制器的设计中去，使控制器作为一个节 点联到现场总线和工业控制网上，能实现集中的或分散的生产过程实时监型6 】。 同时由于运动控制器具有极大的灵活性和良好的运动轨迹控制能力，从而使许 多工业生产设备焕发出勃勃生机。随着自动化技术的进一步发展，它的应用已 走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如电子机械、 木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。所以研制一种带c a n 通信接口的 可用于实际的运动控制器对于推进国内工业控制的发展和促进运动控制的研究 有重要的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 运动控制器的国内外发展现状 运动控制器是一种基于工业p c 机、用于各种运动控制场合( 包括位移、速 度、加速度等) 的上位控制单元。运动控制器是数控系统的核心环节之一，其控 制性能在很大程度上决定了系统的控制精度与响应速度明。 目前国外己有很多著名的大公司开发出了功能多样的开放式运动控制卡， 国内针对运动控制器的研究起步较晚，主要是高校或科研院所为自己设计的基 于p c 的数控系统的运动控制卡。但是近年来，随着运动控制技术的发展迅速， 运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领 域接受，己经达到了一个引入瞩目的市场规模【8 】： ( 1 ) 美国p m a c 运动控制卡，每个卡可控制多达3 2 个伺服轴，链接可达 1 6 块板( 1 2 8 轴) ；有i s a ，v m e ，p c i 0 4 ，p c i 等总线接口方式；可控制的电 机类型有交流伺服电机、直流电机( 有刷、无刷、直线) 、交流异步电机、步进 电机；可基于p c 机工作，也可以独立工作。目前应用非常广泛。 ( 2 ) 英国b a l d o r 运动控制卡，以其简单易用、功能强大深受用户好评， 已经广泛应用于激光雕刻、数控机床、包装机械、半导体制造等相关领域。 ( 3 ) 日本n o v a 电子有限公司研制的d s p 运动控制专用芯片m c x 3 1 4 ， 是一个用于实现4 轴运动控制的集成电路。通过这个集成电路可以控制由步进 电机驱动器或由脉冲型伺服电机驱动的4 轴的位置、速度和插补。 ( 4 ) 长沙力鼎科技有限公司m c 系列3 轴模拟电压控制、编码器反馈型运 动控制器，4 轴反馈可选脉冲输出型运动控制器。 s 、固高科技有限公司的g t - 4 0 0 通用型运动控制器，可控制伺服、步进电 机。o h - 8 0 0 高性能运动控制器，可控制8 个伺服轴或4 个步进轴。 高速高精运动控制是数控技术的关键技术之一，纵观这些年来我国数控技 术的发展历程，尽管我们取得了不少成绩，但与国外发展的速度和水平相比， 差距还是很大。因此如何尽快缩短我们在运动控制技术上的差距成为提高我国 数控技术水平的关键因素之一 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本课题的任务是要设计一种中档的开放式运动控制器基于c a n 总线、 a r m 7 芯片l p c 2 1 1 9 的运动控制器。它采用模拟电压控制方式，能控制4 个轴 的交流伺服电机，能接收和处理4 路光电编码器反馈信号，可以和交流伺服电 机构成一个位置闭环数控系统。研究的主要内容为： ( 1 ) 运动控制器的p i d 控制算法及直线、曲线插补功能的研究； ( 2 ) 运动控制器的硬件电路设计：包括a r m 7 芯片l p c 2 1 1 9 最小系统模块、 d a 转换模块、编码器反馈处理模块、c a n 总线接口模块等； ( 3 ) 基于a d s l 2 软件进行l p c 2 1 1 9 的程序设计； ( 4 ) 把所研究的运动控制器应用到火焰切割机数控系统上，用l a b v i e w 软件进行上位p c 机测试界面的设计，并模拟实际运行状况，得出测试结果。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 运动控制器的实现功能划分 在开放式数控系统中，伺服运动控制器通过专用工业控制总线与上位p c 机 实现联系，它主要有三个功能：通信、伺服控制和运动监控唧。 ( 1 ) 通信功能 控制器的通讯功能主要体现在与p c 的联系上，它又分为数据收发和命令解 释。对于p c 的控制命令，控制器在收到之后予以解释分类，当前必须执行的命 令如电机停止指令，控制器立即执行而不管当前电机处于何种状态，而对于另 外一些命令如改变运行加速度，而此时电机的运行并未终止，改变加速度可能 导致运动出错，控制器会将命令放在等待队列中，在电机进行下一次轨迹时予 以执行；运动控制器还随时把电机的当前运动状态反馈给上位机以供读取，从 而实现运动动态的可视化。 ( 2 ) 伺服控制 伺服控制功能为实时计算跟随误差并转化成速度命令送到伺服系统去执行。 在本数控系统中，在控制器与交流电机之间设置一个1 2 位d a 转换电路， 该电路将计算机输出的数字信号转换成模拟信号，再经过电压放大后送往变频 器驱动交流电机旋转。位置和速度通过光电增量编码器予以反馈，控制器把位 置反馈量与给定值比较后得到的偏差值作为控制交流电机运动的依据，使系统 始终跟随给定值。 ( 3 ) 运动监控 为了提高控制系统的智能化，控制器直接监视执行部件的运行状况，在得 到当前运动的信息之后，立即采取既定的措旌，同时上报给p c 以确定下一步该 如何行动。例如，当有硬物阻拦而不能执行运动时，控制器会立即检查到积分 超限这一错误，从而为了避免损毁执行部件而停止正在进行的运动，同时将这 一事故报告p c ，监视人员会立即看到当前状况，可从容决定该如何处置。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 闭环运动控制的关键技术 2 2 1 数据采样插补原理 插补是一个实时进行的数据密化的过程，其作用是根据给定的信息进行数 字计算，不断计算出参与运动的各坐标轴的进给指令，然后分别驱动各自相应 的执行部件产生协调运动，以使被控机械部件按理想的路线与速度移动。 目前普遍应用的插补算法分为两大类：一是脉冲增量插补，适用于以步进 电动机为驱动装置的开环位置系统，另一是数据采样插补，适用于闭环和半闭 环的以交直流伺服电动机为驱动装置的位置采样控制系统。 在数据采样插补算法中，插补程序以插补采样频率进行，在每次采样间隙 中，计算出各坐标轴的位移增量，形成一微小数据段，并以数字量的形式输出， 作为下一个插补采样间隙内各坐标轴计算机位置闭环系统的增量进给指令，即 本次采样周期内插补程序的作用是计算下一个采样周期的位置增量。 在数据采样插补算法中，根据编程的进给速度，将轮廓曲线分割为按插 补周期r 分配的进给段轮廓步长，得到插补进给量厂。对于弧线的插补一般 以直线来逼近曲线，加工精度取决于弦弧误差。显然，在给定的f 和精度约束下， 插补周期r 取决于轨迹中曲率半径最小处，或者说在确定的插补周期r 的约束下， 进给速度f 的上限将取决于曲率半径最小处弦弧误差以及伺服系统的特性【i 巩。 2 2 2 闭环位置控制技术 位置控制是常被称之为伺服控制系统的运动控制系统的基本功能，它要求 体现调速范围宽、负载特性硬、反应速度快、多轴联动响应一致等多方面的性 能指标，其中的重要指标是跟随误差、定位精度及允许运动速度的高低等。因 此，研究与开发高性能驱动系统及位置控制系统，一直是研究数控机床与机器 人等的关键技术之一。 位置控制系统又分为开环和闭环两种。位置控制的职能是精确地控制机械 运动部件的坐标位置，例如数控计算机将插补计算得出的各轴位移量送入位置 控制单元，而对闭环位置控制系统( 又称为位置伺服系统) 来说，位置控制单元根 据位移量大小产生进给速度指令，并接收位置反馈修正速度指令值，实现快速 而准确的跟踪位置指令的运动【l l 】。 武汉理工大学硕士学位论文 用运动控制器实现伺服电动机的位置闭环控制的原理是利用运动控制器中 的c p u 的软件计算功能，将来自测量元件的反馈信号在c p u 中与插补软件产生 的指令信号作比较，其差值经d a 转换后送入速度单元，然后经执行元件变为 机械位移。因此运动控制器构成的伺服系统可分成软件部分和硬件部分，软件 部分主要完成跟随误差、进给速度指令的计算和实际运动位置的监控，硬件部 分主要由位置检测和位置输出部分组成【1 2 l 。一般用运动控制器实现的位置闭环 控制的系统框图如图2 1 所示。 厂 l l 1 l l 图2 - 1 由运动控制器构成的电机位置闭环控制系统 2 3 制定系统的总体设计方案 2 3 1 系统的硬件设计方案 本运动控制器的硬件总体设计方案如图2 - 2 所示，各个组成部分要实现的功 能及选型如下： a r m , * 作为本运动控制器的核心处理器。由于运动控制器是应用于数控系 统中的，因此它必须要能满足较高的实时性要求。同时，控制器还必须要有足 够多的输入、输出口资源，才能完成数控系统中的各种复杂的状态监测和功能 控制。由于a r m 芯片具有强大的处理能力和极低的功耗，所以它在数值计算方 面具有极大的优势，特别适合于数控系统应用中的轨迹规划运算和伺服控制运 算。在本设计中，我们选用了p h i l i p s 公司3 2 b i ta r m 7 芯片l p c 2 11 9 作为该 运动控制器的核心处理器。它内置2 路c a n 控制器，外接c a n 收发器可以方 6 武汉理工大学硕士学位论文 便地连入c a n 现场总线。 晶振复位电路：外接1 1 m h z 晶振，给a r m 提供工作时钟信号。采用专用 微处理电源监控芯片s p 7 0 8 s 给a r m 芯片提供复位信号，以提高系统的可靠性。 光电耦合器：用来隔离本运动控制器与外部的强电信号，以此提高整个系 统的稳定性和抗干扰性。光电耦合器【1 4 】能有效抑制尖脉冲以及各种噪音干扰， 从而大大提高通道的信噪比；利用光电耦合器这个优点来对运动控制卡的输入 信号和输出信号进行抗干扰处理。根据信号传输速度的不同，分别选用m 6 0 0 ( 高速) 和t l p l 8 1 ( 低速) 两种光电耦合器。 图2 2 运动控制器硬件组成图 c a n 收发器：选用p h i l i p s 公司通用c a n 收发器t j a l 0 4 0 。 d a 芯片及电压放大电路：选用m i c r o c h i p 公司1 2 位d a 芯片m c p 4 9 2 2 ， 它通过s p i 接口与a r m 通信，时钟频率可达2 0 m h z 。m c p 4 9 2 2 转换后的电压 通过运放构成的电压放大电路后，输出- - 1 0 v + 1 0 v 电压给变频器来驱使交流 电机旋转。 开关电源电路：选用o ns e m i 公司电流模式离线p w m 控制器n c p l 2 0 0 构成多路反激式开关电源电路，给系统提供工作电源。 2 3 2 系统的软件设计方案 由于本运动控制器是基于c a n 总线的独立运动控制器，它的软件设计主要 7 武汉理工大学硕士学位论文 包括c a n 通信程序设计、位置控制程序设计、插补程序设计及d a 转换程序设 计等。a r m 软件开发工具选用a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发环境 a d s l 2 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 3 1 a r m 芯片概述 随着集成电路的发展及信息时代的到来，在2 0 0 1 年，3 2 位a r m 单片机市 场占有率超过了7 5 ，广泛应用在信息电器如掌上电脑、个人数字助理( p d a ) 、 可视电话、移动电话、t v 机顶盒、数码相机等嵌入式设备。a r m 已成为移动 通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准【1 3 1 。 a r m ( a d v a n c e dm s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，是知识 产权( 口) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特 色的芯片。a r m 公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关 技术及软件。目前，有超过3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可 协议，其中包括i n t e l 、i b m 、s a m s u n 0 、o k i 、l g 、n e c 、s o n y 、p 眦m s 等大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、s y m b i a n 和m r i 等一系列 知名公司。 a r m 微控制器主要特点包括： ( 1 ) 小体积、低功耗、低成本、高性能 ( 2 ) 1 6 3 2 位双指令集 ( 3 ) 全球众多的合作伙伴 a r m 微控制器当前有6 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、 a r m l l 和s e c u _ , c o r e ，其中a r m l l 为最近推出的产品。进一步产品来自于合作 伙伴，例如i n t c lx s c a l e 微体系结构和s t r o n g a r m 产品。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、 a r m l 0 是4 个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对 功耗、性能、体积的需求。s e c u r c o r e 是第5 个产品系列，是专门为安全设备而 设计的。 目前中国市场应用较成熟的a r m 单片机以a r m 7 t d m i 核为主。主要的厂 家有s a i s u n g 、a t m e l 、o k i 等知名半导体厂商。 随着a r m 处理器的不断推广，近年来不论是在p d a 、s t b 、d v d 等消费 类电子产品中，还是在g p s 、航空、勘探、测量等军方产品中都得到了广泛的 9 武汉理工大学硕士学位论文 应用。如无线产品( 手机、p d a ，目前7 5 以上的手机是基于a r m 的产品) ；汽 车产品( 车上娱乐系统、车上安全装置、导航系统等) ；消费娱乐产品( 数字视频、 i n t e r a c t 终端、交互电视、机顶盒、网络计算机等、数字音频播放器、数字音乐 板、游戏) ；数字影像产品( 信息家电、数字照相机、数字系统打印机) ；工业产 品( 机器人控制、工程机械、冶金控制等) ；网络产品( p c i 网络接口卡、a d s l 调 制解调器，路由器，无线l a n 访问点等) ；安全产品( 电子付费终端、银行系统 付费终端、智能卡、3 2 位s i m 卡等) ；存储产品( p c i 到u l t r a 2s c s l 6 4 位r a i d 控制器，硬盘控制器) 等等。 3 2l p c 2 1 1 9 芯片概述 l p c 2 1 1 9 是p h i l i p s 公司设计的基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s t mc p u ，并带有1 2 8 2 5 6k 字节0 3 3 ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运 行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过 3 0 ，而性能的损失却很小【1 4 1 。 l p c 2 1 1 9 采用了6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装，见图3 1 。 l p c 2 1 1 9 是真正能独立工作的片上系统( s o o 。每个m u c 都能有效的管理 模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。f l a s h 存储器还具有 在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新其固件。应 用程序可以使用m o v c 和m o v x 指令对f l a s h 进行读或写，每次读或写1 个 字。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新 程序代码。 片内j t a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行 非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存 储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令，在使用j t a g 调试时，所有 的模拟和数字外设都可全功能运行。 该微控制器采取双电源模式，c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ，其典型工 作电压为1 8 v 。i o 操作电压范围：3 0 3 6v ，其典型工作电压为3 3 v ，可承 受5 v 电压。 由于l p c 2 1 1 9 非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、2 个3 2 位定时器、4 路 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l o 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道、4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断使它们 特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。由于内置了宽 范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种 类型的应用。 爹； ；善| l lll 事l 善 图3 - 1l p c 2 1 1 9 微控制器引脚分布图 3 3l p c 2 1 1 9 的最小系统设计 一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给他供电，加上时钟信号， 并提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储系统，然后 l 哇_卅h肆竹，ph皇6盎蠢f置u毒，oq委p蕊坌。砖i上g_口*n譬孽d珥罱-e|籍爱”i；u 邕isi 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式处理芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路 与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。同时，在调试时， j t a g 接口也是比部可少的，因此，最小系统应包括调试接口。 3 3 1 时钟及复位电路 目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数 微控制器具有内部晶体振荡器电路。本设计中，l p c 2 1 1 9 使用外部i i m 晶振。 内部p l l 【1 5 】电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟 为6 0 m h z ) 。倘若不使用片内p l l 功能及i s p 下载功能，则外部晶振频率范围 是1 m h z 3 0 m h z ，外部时钟频率范围是1m h z 5 0 m h z ；若使用了片内p l l 功能或i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 0m h z 2 5m h z ，外部时钟频 率范围是1 0 m h z 2 5m h z 。在设计时，选用了1 1 0 5 9 2m h z 晶振，电路图如 图3 2 所示： 瑚 图3 - 2 时钟电路图 微控制器在上电时状态并不确定，则造成微控制器不能正确工作。为解决 这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个 确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。这个信号的稳定性和 可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。由于l p c 2 1 1 9 的高速、低功耗、低 工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、 电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。所以简单的阻容复位电路虽 然成本低，但是不能担任起这个工作。在设计时，选择了专用的微处理电源监 控芯片s p 7 0 8 s ，以提高系统的可靠性f l q 。 武汉理工大学硕士学位论文 s p 7 0 8 s 属于专用微处理器电源监控芯片。其集成有众多组件，可监测微处 理器及数字系统中的供电及电池的工作情况。由于以上众多组件的使用，s p 7 0 8 s 可有效地增强系统的可靠性及工作效率。s p 7 0 8 s 包含一个看门狗定时器，一个 微处理器复位模块，一个供电失败比较器，及一个手动复位输入模块。 由于在进行j t a o 调试时，n r s t 、n t r s t 又是可由j t a g 仿真器控制复位 的，所以用了三态缓冲门7 4 h c l 2 5 进行驱动，系统复位电路如图3 3 所示： 图3 - 3 系统复位电路 图中n r s t 连接到l p c 2 1 1 9 的复位脚n r s t ，信号n t r s t 连接l p c 2 1 1 9j - t a g 接口电路的复位脚。当复位开关r s t 按下时，s p 7 0 8 s 输出复位信号，引脚瓜e s e t 输出低电平，导致两路7 4 h c l 2 5 ( - - - 态门负逻辑控制) 导通，信号n r s t 和n t r s t 输 出低电平使系统复位。系统正常运行情况下，s p 7 0 8 s 的引脚r e s e t 输出高电平， 两路7 4 h c l 2 5 截止，上拉电阻r 5 。r 6 将信号n r s t 和n t r s t 上拉为高电平旧。 u ln门rg v 3 3 a 一v33h p t 3 l ，r i 峪t r 瓣盯： l2 p l 娜d i 6 0t d i= 3 4v 5 2t m s= 560 一 r 5 6t c k= 780 吞 。7 凹，r c l c 2 4r 丁e k ： 91 00 刍譬篙篙 6 4t d o 1： l l1 20 ， 5 7n r s t ： 1 31 40 r e s e tl ， 1 60 r m l 1 7 1 8 - c v 4 1 9 0 图3 - 4j t a g 电路图 武汉理工大学硕士学位论文 调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性。 l p c 2 1 1 9 有一个内置的j t a g 调试接口，通过这个接口可以控制运行并获取内部 信息。并且它还有一个嵌入式跟踪宏单元( e t m ) ，支持对执行代码进行无干扰 的高速实时跟踪( 它向一个跟踪端口输出处理器执行的信息，外部跟踪端口分 析仪在软件调试器的控制下捕获跟踪信息) ，由于使用的是简易的仿真器，故没 有用到e t m 接口。j t a g 信号的定义及与l p c 2 1 1 9 的连接如图3 _ 4 所示。 这是a r m 公司提出的标准2 0 脚t a g 仿真调试接口，根据l p c 2 1 1 9 的应 用手册说明，在r t c k 引脚接一个4 7 k 欧的下拉电阻，使系统复位后，l p c 2 1 1 9 内部j t a g 接口使能，这样就可以直接进行t a g 仿真调试了。 3 4d a 转换和电压放大电路 3 4 1d a 转换电路 首先l p c 2 1 1 9 通过s p i 串行总线方式数字量输出，经d a 芯片m c p 4 9 2 2 进行d a 转换，输出o 4 v 模拟信号。d a 转换电路如下图3 - 5 所示。 s v o c 1 1 ”| | 。1 1 4d a c l j i i 2 1 v d d v o 盯 1 3 + 4 v l p , 21 0 4 d o c s l3 n c 硐髓融 d a c s c k4 c s 缁 1 2 1 | j 卜 d a c s d o5 9 c 置v r e f b 1 l 4 4 , | |y 6 s d iv o u 耶 1 0d a c l b ij c 口1 0 4 蝴 ol h cs h d n 7 蔓2 墨垫望墨ur n3 k n cl d a c m c p 4 砣2 图3 - 5d a 转换电路 m c p 4 9 2 2 有两路d a c 输出通道，现在就介绍一路输出时的时序过程如图 3 - 6 所示，当片选信号掰为低电平时，l p c 2 1 1 9 通过s p i 总线方式向m c p 4 9 2 2 接收缓冲区送1 6 位数据，每当时钟信号时序为上升沿送一位数据。s p i 总线方 式是先送高位。其中1 6 位中高四位为调试位，此时l d a c 信号为高电平，无输 出，当放送了1 6 位数据后，片选信号跳变为高电平，l p c 2 1 1 9 不再发送数据， 此时控制信号跳变为低电平，接收缓冲区接收的数字量送到d a c 缓冲区转换为 模拟电压输出，其输出值受参考电压限制i l 列。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 电压放大电路 模拟输出电路主要采用l m 2 5 8 作为运算放大器来构成。其主要功能是将 d a 端口输出的小范围内变化的模拟信号转换成一1 0 1 0 v 的模拟信号输出，从 而可以驱动变频器。其中一路的主要放大电路如图3 7 所示。d a c l a 为m c p 4 9 2 2 的一路输出。当d a c l a = 0 v 时，v 1 输出为- - 1 0 v ，当d a c l a = 4 v 时，v l 输 出为1 0 v 。 图3 7 电压放大电路 3 5 编