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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。
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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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2 系统硬件平台设计
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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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图 2 核心模块与运控模块的连接示意图
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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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  最后将24V的输入信号,输入给固高IO端子板和嵌入式主板。
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3 软件平台设计
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  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。
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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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  3.1 操作系统平台设计
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  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:
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  (1) 将Windows CE .net 4.2的操作平台装入PC机。
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  (2) 将ICOP 6070的BSP程序安装到PC机。
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  (3) 执行“Platform Builder”,进入平台创建向导对话框,点击“NEXT”接钮。
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  在此对话框,须要为ICOP主板选择“ICOP_VORTEX86”BSP程序。
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  (4) 继续点取“NEXT”按钮,在对话框中,可以选择“Industrial Controller”功能项。
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  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。
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  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。
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  (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。
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  (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)”。
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  (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。
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  (4) 编译平台,生成Windows CE .NET操作系统的映像文件 NK.bin。
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  (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。
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  3.2 嵌入式运动控制器驱动程序
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  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:
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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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  (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。
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  [HKEY_LOCAL_MACHINE\Drivers\BuiltIn\GooGolDriver]
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  "Dll"="GooGolDriver.dll"
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  "Order"=dword:0
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  "Index"=dword:1
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  "Prefix"="GOL target=_blank>
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图 2 核心模块与运控模块的连接示意图
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  系统的完整构建过程如下:

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