基于LPC2214和S3C44B0X實現PCB鉆床控制器的設計

　　作者：殷蘇民，張春樹，田濤，李占發

1.引言

印刷電路板鉆床是印刷電路板生產中的重要裝備，隨著電子產品加工要求的提高，低檔的基于單片機的PCB 鉆床控制器已經很難滿足要求。ARM7TDMI 是20 世紀末ARM 公司提出的一種32 位的RISC 微控制器結構， 基于該內核的芯片種類豐富，具有運行速度高，功耗小和價格低的特點。本文介紹了一種基于雙ARM 結構的PCB 鉆床控制器，它既解決傳統低檔鉆床控制系統性能不高的缺點，同時又具有很高的經濟性，是高檔PCB 鉆床理想的控制器。

數控系統按結構分，一般有單 CPU 和多CPU 之分。單CPU 一般采用集中控制分時處理的方式完成數控系統的各項任務。它具有結構緊湊的特點，但是功能相對比較簡單。多CPU 結構的數控系統采用多CPU 并行處理，可以使系統達到更高的性能。多CPU 一般采用共享總線或共享存儲器方式進行通信。鉆床控制器的控制對象比較復雜：需要控制4套松下MINAS交流伺服系統，4個主軸電機以及9路開關量輸入，11路繼電器輸出。如果控制器采用單CPU結構，控制器需要擴展較多硬件，增加系統成本，降低了系統可靠性；如果控制器采用雙CPU結構，控制器可以根據功能進行分層設計：將信息處理量大的人機交互系統任務交由一個CPU負責，而機床運動控制交由另一個CPU來處理。這樣減少了外擴硬件的數量，降低了成本，提高了可靠性。具體是指：控制器用三星公司生產的S3C44B0X作為人機交互系統的CPU，用飛利浦公司生產的LPC2214作為機床運動控制系統的CPU。

2.控制器的硬件設計

控制器由系統板和接口板組成：系統板是由LPC2214 和S3C44B0X 及其相關外圍電路構成的，是控制器的核心；接口電路板主要負責系統板和機床電器之間的驅動，電平匹配。系統的硬件結構參考圖1。

圖1 控制器硬件結構圖

2.1 控制器系統板硬件設計

控制器系統板由兩個子系統組成：人機交互系統和機床運動控制系統。人機交互系統和機床運動控制系統通過I2C 總線進行數據交換。I2C 總線是飛利浦公司提出的串行總線，具有速度較高，硬件連接十分簡單，無需增加硬件的特點。

2.1.1 控制器人機交互系統的硬件設計

機床的一些重要的參數例如像機床進給軸絲杠的螺距，交流伺服系統的脈沖當量等數據需要永久保存，所以系統擴展了一片512B 的基于I2C 總線的EEPROM 芯片AT24C04 。機床人機交互系統電路結構如圖1 控制器系統板中以S3C44B0X 為中心的硬件結構。

2.1.2 機床運動控制系統硬件設計

機床運動控制系統的核心是 LPC2214 微控制器。LPC2214 內部自帶256KB 的flash存儲器和16KB 的SRAM，無需外擴程序存儲器和數據存儲器。系統設計了一個RS232串口，用于LPC2214 系統程序的ISP 下載。為了便于調試程序，運動控制系統設計了一個JTAG 口。機床運動控制系統電路結構如圖1 控制器系統板中以LPC2214 為中心的硬件結構。機床電器都通過接口電路直接與LPC2214 相連。其引腳分配如下所示：

2.1.3 人機交互系統和機床運動控制系統的通信

數控系統的加工指令經過S3C44B0X 的處理后要傳給LPC2214 進行執行，而LPC2214執行的結果要返回給S3C44B0X 進行處理和顯示。系統采用I2C 總線進行通信。S3C44B0X工作在主器件模式，而AT24C04 和LPC2214 工作在從模式。AT24C04 的從地址是0xa0，LPC2214 的從地址是0x50，I2C 的速率為400KHz。S3C44B0X 和LPC2214 各自建立一個24 字節的全局數組進行通信。

3.軟件設計

軟件部分主要由人機交互系統軟件和機床運動控制系統軟件組成。人機交互系統軟件結構比較復雜，所以軟件移植了μC/OS－II 操作系統。機床運動控制系統軟件結構比較簡單，但是這部分軟件有很強的實時性要求，所以軟件沒有移植操作系統，而是采用時間觸發模式編寫。

3.1 人機交互系統軟件設計

人機交互系統軟件采用分層方式進行編寫。軟件分為系統層和應用層。系統層設計的主要任務是首先進行嵌入式操作系統μC/OS－II 移植，然后再對操作系統內核進行擴展，形成一個簡單高效的平臺。應用層設計是在這個平臺的基礎上實現加工文件的操作，機床手動加工，機床自動加工，機床參數設置等任務。

系統層以μC/OS－II 操作系統內核為基礎進行移植和擴展。所謂移植，是指通過編寫一定代碼，使得操作系統能夠在特定的處理器平臺上運行。根據μC/OS－II 的說明，移植包括對與處理器相關的OS_CPU.H，OS_CPU_A..ASM，OS_CPU_C.C 三個文件中的代碼進行移植［4］。在μC/OS－II 提供的內核基礎上，通過設計驅動程序模塊，系統任務，操作系統的API 函數和任務調度模塊等對操作系統內核進行擴展。通過設計實現LCD，鍵盤，K9F2808，I2C 總線和串口通信等的接口函數，建立驅動程序模塊，使操作系統API 函數和底層硬件分開。系統任務部分設計了LCD 刷新任務，鍵盤讀取任務，I2C 總線讀寫任務這三個基本任務，并隨著操作系統的啟動而運行。

應用層在系統層提供的 API 函數的基礎上，設計了主任務和機床手動加工，自動加工，文件傳輸，參數設置等任務。系統的入口函數Main 函數流程如圖2 所示。主任務函數結構如圖3 所示：

3.2.LPC2214 程序設計

機床運動控制系統控制程序結構比較簡單，程序模塊間相對獨立，但是實時性要求很高。由于嵌入式實時操作系統會占用一部分系統資源，影響系統的實時性，增加系統設計難度，所以，我們沒有移植嵌入式實時操作系統，而是使用簡單時間調度方式。使用該調度方式可以使程序具有較好的健壯性和穩定性。系統采用定時器來產生系統調度的節拍，利用定時器中斷程序進行調度。系統使用定時器0 產生系統的節拍，定時周期為1ms。系統利用PWM控制器的中斷和四個比較寄存器控制交流伺服系統進給脈沖的生成。我們把任務分成兩類：一類為周期任務，另一類為非周期任務。每一個任務都有一個任務控制塊，任務控制塊的數據結構如下：

typedef data struct

{void （*P_task）（void）; //指向任務的指針

unsigned int Delay; //延時時間

unsigned int Period; //任務再次運行的間隔時間

unsigned int run; //任務需要運行的次數

}task;

任務控制塊包含了任務被調度的重要信息：任務是周期任務還是非周期任務，以及任務在何時運行，任務準備就緒的標志等?？刂葡到y的主要任務有：X 進給軸脈沖發送任務，Y 進給軸控制任務，Z1 進給軸控制任務，Z2 進給軸控制任務，主軸電機控制任務，換刀任務等。

4.結束語

在控制器方案考慮和設計中，我們充分考慮了嵌入式系統對功耗，成本和尺寸的敏感性?；贗2C 的雙ARM 結構的鉆床控制器具有性能優良，系統集成度高，性能可靠，人機交互友好，可擴展性好的特點，相對于傳統的基于單片機的鉆床控制器在性能上有很大的提高。本設計為嵌入式系統在印刷電路板控制器中的應用提供了新的思路，具有較好的應用價值。

責任編輯：gt