嵌入式运动控制器系统的设计与开发
日期：2011-2-28 21:13:09 点击：
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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Windows CE Platform Builder开发平台，进行裁减和定制嵌入式运动控制器的Windows CE操作系统平台，进行软件设计。
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 1 PC104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
系统的完整构建过程如下：
（1） 将ICOP-6070嵌入式主板与固高运动控制卡通过PC104接口装在一起。
（2） 然后将外部输入设备和输出设备接到嵌入式主板上。
（3） 其次通过两个根62PIN的数据线将固高IO端子板和固高控制卡接在一起。
最后将24V的输入信号，输入给固高IO端子板和嵌入式主板。
3 软件平台设计
工业嵌入式系统的主要指标是：实时性、高效率、安全稳定性与可靠性以及结构紧凑、易于剪裁、良好的开放性。可供嵌入式应用的图形操作系统有多种，比如Windows CE、Palm OS等，而Palm OS一般只应用在手持设备上。适合工业环境应用（过程）标准的系统，目前有Windows CE 和Linux等几种。
WinCE是微软开发的多任务嵌入式操作系统，模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支持很多种嵌入式CPU（包括X86,arm等）。选择Windows CE .net嵌入式操作系统，作为本嵌入式运动控制系统的操作平台，最主要考虑Windows操作简单实用，多任务的操作，功能的强大，性能的稳定，最主要是Windows程序移植方便，熟悉Windows程序开发的人员，能够迅速掌握Windows CE .net程序的开发，同时减少程序开发人员的难度。
3.1 操作系统平台设计
为了能够能在Windows CE .net操作系统，必须定制一个Windows CE .net操作系统平台，平台的生成可以使用Windows CE .net的工具Platform Builder 4.2。其生成平台主要步骤如下：
（1） 将Windows CE .net 4.2的操作平台装入PC机。
（2） 将ICOP 6070的BSP程序安装到PC机。
（3） 执行“Platform Builder”，进入平台创建向导对话框，点击“NEXT”接钮。
在此对话框，须要为ICOP主板选择“ICOP_VORTEX86”BSP程序。
（4） 继续点取“NEXT”按钮，在对话框中，可以选择“Industrial Controller”功能项。
当嵌入式平台创建成功后，则需要对此平台进行编译设置;在采用平台创建向导生成的一个平台后，可能此平台存在不需要的文件信息，又或缺少相关文件。
为此，要对此平台进行删除、添加相关文件，配置相关编译信息。
（1） 手动添加对存储硬盘和FAT文件系统的支持。先在目录显示区中的“Device Drivers” ->“Storage Devices”->“Storage Devices”找到“ATAPI PCI/IDE Storage Block Driver”信息，在此栏上点击鼠标右键，在弹出的对话框中，点取“Add to platform”一项，此时，此相关信息就被加入到平台工程中。采用同样方法，在目录显示区中的“Core OS” ->“Display based devices”->“File Systems and Data Store” ->“Store Manager”找到“FAT File System”信息，在此栏上点击鼠标右键，在弹出的对话框中，点取“Add to platform”，相关信息就被加入到平台工程中。
（2） 需向平台工程中加入对Windows SDK和MFC类库的支持. MFC类库支持在目录显示区中的“Core OS” ->“Display based devices”->“Applications and Services Development” ->“Microfot Foundation Classes（MFC）”。
（3） 嵌入式平台的工程基本功能添加完毕后，就可以编译此平台。在编译平台之前，先进行平台设置，在“Platform Settings”对话框，选中选项“Enable Images Larger than 32MB”，保存更改设置。
（4） 编译平台，生成Windows CE .NET操作系统的映像文件 NK.bin。
（5） 完成了嵌入式平台的工程，可以将NK.bin下载到主板运行，也以通过网络下载到嵌入式主板上运行。
3.2 嵌入式运动控制器驱动程序
在使用运动控制器之前，必须先安装运动控制器的驱动程序，这样才可以正确使用运动控制器，加入此驱动程序的步骤如下：
（1） 将运动控制器驱动程序文件GooGolDriver.dll拷贝到平台的Release目录下。
（2） 在平台编辑环境中打开工程中project.reg文件，将如下文本内容复制到此文件中。
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\BuiltIn\GooGolDriver]
"Dll"="GooGolDriver.dll"
"Order"=dword:0
"Index"=dword:1
"Prefix"="GOL target=_blank>
图 2 核心模块与运控模块的连接示意图
系统的完整构建过程如下：
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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Windows CE Platform Builder开发平台，进行裁减和定制嵌入式运动控制器的Windows CE操作系统平台，进行软件设计。
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1 引言
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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。
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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。
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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。
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图 1 PC104模块
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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。
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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。
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图 2为嵌入式PC104主板和运动控制卡之间机械连接示意图。
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系统的完整构建过程如下：
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（1） 将ICOP-6070嵌入式主板与固高运动控制卡通过PC104接口装在一起。
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（2） 然后将外部输入设备和输出设备接到嵌入式主板上。
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（3） 其次通过两个根62PIN的数据线将固高IO端子板和固高控制卡接在一起。
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WinCE是微软开发的多任务嵌入式操作系统，模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强大，支持很多种嵌入式CPU（包括X86,arm等）。选择Windows CE .net嵌入式操作系统，作为本嵌入式运动控制系统的操作平台，最主要考虑Windows操作简单实用，多任务的操作，功能的强大，性能的稳定，最主要是Windows程序移植方便，熟悉Windows程序开发的人员，能够迅速掌握Windows CE .net程序的开发，同时减少程序开发人员的难度。
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（1） 将Windows CE .net 4.2的操作平台装入PC机。
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（1） 将运动控制器驱动程序文件GooGolDriver.dll拷贝到平台的Release目录下。
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