基于GD32H759的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，由于社會(huì)高速發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的基于PC及低端微控制器逐漸滿足不了現(xiàn)代制造的工藝要求。隨著嵌入式技術(shù)的日臻完善，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)開始在工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)?；贏RM技術(shù)的微處理器具有體積小、低成本、低功耗的特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

圖1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理

基于GD32H759系列超高性能MCU優(yōu)秀的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，硬件設(shè)計(jì)方案方案采用ARM+FPGA的架構(gòu)。本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，使用MODBUS-RTU/TCP及本公司自定義“太控”協(xié)議設(shè)計(jì)串口通訊程序，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)表，將HMI的運(yùn)動(dòng)控制信息進(jìn)行存儲(chǔ)，利用HMI畫面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)

系統(tǒng)框架

在系統(tǒng)中ARM是主處理器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的觸發(fā)、系統(tǒng)命令的發(fā)送、任務(wù)調(diào)度、切換等功能。FPGA是接收并解析ARM處理好的數(shù)據(jù)，并最終根據(jù)ARM的命令完成脈沖發(fā)送、脈沖計(jì)數(shù)及運(yùn)動(dòng)任務(wù)掌控等功能，作為ARM的外設(shè)使用。

大多工業(yè)自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)控制都需要考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)處理、以及實(shí)際應(yīng)用的需求。ARM+FPGA的硬件設(shè)計(jì)方案以ARM(GD32H759)為主控制芯片，主要完成電機(jī)參數(shù)、插補(bǔ)計(jì)算、人機(jī)交互、加工文件管理等控制。輔助芯片F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)完成各軸脈沖輸出、原點(diǎn)檢測(cè)、輸入信號(hào)處理等。

控制器關(guān)鍵參數(shù)規(guī)格列下表所示：

ARM+FPGA的架構(gòu)與ARM+DSP架構(gòu)比較，各有優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA的構(gòu)架能產(chǎn)生多路脈沖驅(qū)動(dòng)波，在多軸配合、多軸運(yùn)動(dòng)控制、IO擴(kuò)展、存儲(chǔ)等方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，DSP架構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。

在整體設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA掛在ARM的地址空間上作為ARM的外設(shè)使用。FPGA要完成掌控任務(wù)首先要先在ARM中運(yùn)行包含F(xiàn)PGA所在地址的指令，運(yùn)行后ARM選中FPGA,FPGA接收到自己被選中的信息后檢測(cè)地址總線上ARM發(fā)送的地址數(shù)據(jù)，解析完成總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之后開始動(dòng)作。寄存器也是運(yùn)動(dòng)控制最重要的一環(huán)，ARM對(duì)FPGA的完全控制就是通過(guò)提前對(duì)FPGA內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置。

圖3 GD32H759 MCU工作平臺(tái)

總結(jié)

GD32H759具有超強(qiáng)的計(jì)算能力，得益于優(yōu)秀的GD32H759硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)采用ARM+FPGA的構(gòu)架，能實(shí)現(xiàn)更多軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，同等需求下較于ARM+DSP的架構(gòu)硬件成本更低，產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)勢(shì)更大。GD32H759經(jīng)我們方案驗(yàn)證，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中擁有極強(qiáng)的穩(wěn)定性、優(yōu)異的可擴(kuò)展性。

工業(yè)自動(dòng)化很多客戶的需求由原來(lái)的一機(jī)專用演化為一機(jī)多用，這種運(yùn)動(dòng)控制器在數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、IO配置、多軸聯(lián)動(dòng)等功能上都要經(jīng)得過(guò)考驗(yàn)，而搭載GD32H759的ARM+FPGA的構(gòu)架能很好的搭建出適應(yīng)市場(chǎng)需求的平臺(tái)。

搭載GD32H759的ARM+FPGA構(gòu)架控制器平臺(tái)在脈沖頻率上遠(yuǎn)超原本的平臺(tái)，在特殊運(yùn)用環(huán)境中可配置能力更高、適用性更廣、控制處理更快，能大幅減少加工時(shí)間。