基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式運(yùn)動控制箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)成武，韓 宇

（深圳技師學(xué)院，廣東深圳 518116）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，運(yùn)動控制技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。運(yùn)動控制就是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動[1]。常見的運(yùn)動控制解決方案為工控機(jī)+運(yùn)動控制卡的方式[2]，該解決方案具有穩(wěn)定性好、性能強(qiáng)勁、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是該方案成本較高，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，在一些運(yùn)動精度要求相對不高的運(yùn)動控制場景，以及諸如作為初學(xué)者使用的教學(xué)實(shí)驗(yàn)載體，較高的成本往往會制約所述運(yùn)動控制方案的普及。因此，設(shè)計(jì)一種性價(jià)比更高，能滿足一些運(yùn)動精度要求相對不高的運(yùn)動控制場景的運(yùn)動控制方案就很有必要。

為此，本文從技術(shù)和應(yīng)用兩個(gè)維度出發(fā)，針對性地設(shè)計(jì)出一套具有更高性價(jià)比的運(yùn)動控制方案。該方案以嵌入式微控制器為控制核心，通過控制器對PWM信號進(jìn)行調(diào)制，以控制伺服電機(jī)（或步進(jìn)電機(jī)）。改變PWM 信號頻率，可以調(diào)節(jié)伺服電機(jī)（或步進(jìn)電機(jī)）的速度；改變PWM信號個(gè)數(shù)，可以控制伺服電機(jī)（或步進(jìn)電機(jī)）的位置；此外，還可以通過控制器的數(shù)字輸入/輸出口，采集數(shù)字輸入信號或控制其他數(shù)字設(shè)備[3]。該嵌入式運(yùn)動控制箱成本低、功能強(qiáng)大、體積小，適用于對性價(jià)比要求較高、對運(yùn)動精度要求相對不高的場合。

1 系統(tǒng)組成

本文所述的運(yùn)動控制箱以第二代ARM Cortex-M3 為內(nèi)核的32 位微控制器LPC1752 為控制核心單元，內(nèi)置24 V 開關(guān)電源、3.3 V 穩(wěn)壓電路、光電隔離接口電路，所有電氣部件固定在鐵制外殼底座上，I/O接口通過上蓋的香蕉插座接線端子與外圍的伺服電機(jī)驅(qū)動器或步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器連接，以實(shí)現(xiàn)控制功能[4]。系統(tǒng)組成如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 實(shí)物

2 工作原理

基于第二代ARM Cortex-M3 內(nèi)核32 位微控制器（LPC1752）的嵌入式運(yùn)動控制箱通過嵌入式微控制器發(fā)送高低電平信號和PWM 信號，經(jīng)過光電隔離接口電路，將3.3 V輸出電信號轉(zhuǎn)換為24 V輸出電信號，實(shí)現(xiàn)與伺服電機(jī)驅(qū)動器或步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動器的通信，以控制伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。通過高低電平信號的變化，可實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制；通過調(diào)制PWM信號的周期和數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)速度、位置的控制。最多可同時(shí)控制4 個(gè)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)32 位微控制器（LPC1752）PWM 模塊的工作原理，可由以下公式計(jì)算PWM 定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率FPWM計(jì)數(shù)頻率，計(jì)算公式如下：

式中：Fpclk為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；PWM1PR 為預(yù)分頻寄存器，VPWM1PR為其值。

在32 位微控制器（LPC1752）中，使用匹配寄存器0（PWM1MR0）來控制PWM 的周期、頻率，PWM 輸出頻率fPWM輸出計(jì)算公式如下：

式中：PWM1MR0為匹配寄存器；VPWM1PR0為其值。

通過改變PWM1MR0 或PWM1PR 的值，就可以改變PWM 的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的速度。另外，通過控制PWM模塊輸出脈沖時(shí)間，從而控制PWM個(gè)數(shù)，就可以控制伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的位置[4]。

該嵌入式運(yùn)動控制箱也可以通過嵌入式微控制器（LPC1752）數(shù)字輸出口，發(fā)送數(shù)字信號，經(jīng)過光電隔離接口電路，將3.3 V 輸出電信號轉(zhuǎn)換為24 V 輸出電信號，實(shí)現(xiàn)對氣缸或其他電氣功能部件的控制，最多可同時(shí)控制16個(gè)氣缸或其他電氣功能部件。

該嵌入式運(yùn)動控制箱還可以通過光電隔離接口電路，將24 V輸入電信號轉(zhuǎn)換為3.3 V輸入電信號，連接到嵌入式微控制器（LPC1752）數(shù)字輸入口，以實(shí)現(xiàn)對傳感器或其他數(shù)字信號的讀取，最多可同時(shí)讀取16個(gè)傳感器或其他數(shù)字信號。該嵌入式運(yùn)動控制箱工作原理框圖如圖3所示。

圖3 工作原理框圖

3 硬件電路

該嵌入式運(yùn)動控制箱硬件電路分為嵌入式微控制器（LPC1752）管腳圖、功能引腳圖、系統(tǒng)電源框圖、光電隔離接口電路圖，具體如下。

3.1 嵌入式微控制器（LPC1752）管腳圖

LPC1752采用LQFP80封裝，管腳分布如圖4所示。

圖4 管腳分布

3.2 功能引腳圖

P0.0～P0.31：P0 口是一個(gè)32 位I/O 口，每個(gè)位都有獨(dú)立的方向控制，P0 口引腳的操作取決于引腳連接模塊所選擇的功能。P0 口的引腳P0.4、P0.5、P0.12～P0.14、P0.19～P0.21、P0.23、P0.24、P0.27、P0.28、P0.31不可用。

P1.0～P1.31：P1 口是一個(gè)32 位I/O 口，每個(gè)位都有獨(dú)立的方向控制，P1 口引腳的操作取決于引腳連接模塊所選擇的功能。P1 口的引腳P1.2、P1.3、P1.5～P1.7、P1.11～P1.13、P1.16、P1.17、P1.21、P1.27不可用。

P2.0～P2.31：P2 口是一個(gè)32 位I/O 口，每個(gè)位都有獨(dú)立的方向控制，P2 口引腳的操作取決于引腳連接模塊所選擇的功能。P2口的引腳P2.11～P2.31不可用。

P4.0～P4.31：P4 口是一個(gè)32 位I/O 口，每個(gè)位都有獨(dú)立的方向控制，P4 口引腳的操作取決于引腳連接模塊所選擇的功能。P4 口的引腳P4.0～P4.27、P4.30、P4.31不可用。功能引腳圖如圖5所示。

圖5 功能引腳圖

3.3 系統(tǒng)電源框圖

220 V 交流電經(jīng)過開關(guān)電源，轉(zhuǎn)換成24 V 直流電，再經(jīng)過直流穩(wěn)壓電路，將直流24 V轉(zhuǎn)成直流3.3 V。直流3.3 V為嵌入式微控制器的工作電源，直流24 V為接口電路工作電源。系統(tǒng)電源框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)電源框圖

3.4 光電隔離接口電路

光電隔離接口電路是基于ARM Cortex-M3 的嵌入式運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)與外圍負(fù)載通信的橋梁，包括輸入接口電路和輸出接口電路。接口電路采用TLP521-4型可控制光電耦合器，實(shí)現(xiàn)ARM Cortex-M3 控制器與外圍信號電平高低的轉(zhuǎn)換和光電隔離[5-8]。

TLP521-4 是一種性能優(yōu)良的可控制光電耦合器元件，其功耗為150 mW，隔離電壓可達(dá)2 500 Vrms，廣泛運(yùn)用在電腦終端機(jī)、測量儀器、影印機(jī)、家用電器等電器設(shè)備中。其主要作用為使控制線路前端與負(fù)載之間完全隔離，增強(qiáng)電路的安全性，減小電壓的干擾，同時(shí)簡化電路的設(shè)計(jì)[9-12]。

3.4.1 輸入接口電路

基于ARM Cortex-M3 的嵌入式運(yùn)動控制器共有數(shù)字量輸入接口20 位，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的數(shù)字量同時(shí)輸入。圖7 所示為輸入接口電路局部，以TLP521-4 型光電耦合器為核心元件，外圍輸入端電壓為DC24 V，當(dāng)有外部信號輸入時(shí)，通過輸入接口電路轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)換為DC3.3 V弱電信號供ARM Cortex-M3處理器采集使用[13-14]。

圖7 輸入接口電路

3.4.2 輸出接口電路

基于ARM Cortex-M3 的嵌入式運(yùn)動控制器共有數(shù)字量輸出接口16 位和PMW 輸出信號4 路。圖8 所示為輸出接口電路局部，以TLP521-4 型光電耦合器為核心元件。當(dāng)系統(tǒng)對外有信號輸出時(shí)，通過輸出接口電路，DC3.3 V的弱電信號轉(zhuǎn)換為DC24 V強(qiáng)電信號，控制外圍注入電磁閥、指示燈等強(qiáng)電負(fù)載[15-16]。

圖8 輸出接口電路

4 軟件設(shè)計(jì)

下面介紹以基于該嵌入式運(yùn)動控制器為控制核心，以智能機(jī)械手實(shí)訓(xùn)設(shè)備為控制對象的軟件設(shè)計(jì)[8]。軟件設(shè)計(jì)以C 語言為編程語言，按照模塊化編程的原則編寫程序，實(shí)現(xiàn)以下功能。

上電后，檢測料筒是否有工件；無工件則等待，有工件則上料氣缸動作，把工件推到皮帶線上，皮帶線動作；在皮帶線上，通過顏色傳感器判斷工件顏色，通過電容式接近開關(guān)判斷工件是否到位。如為白色工件，則工件到達(dá)皮帶擋板后，皮帶線停止，延伸氣缸伸出，Z軸氣缸下降，吸取工件，Z軸氣缸上升，延伸氣缸縮回；絲桿（伺服電機(jī)驅(qū)動）向右運(yùn)行,根據(jù)倉庫工件傳感器的信號進(jìn)行定位和Y軸氣缸動作，延伸氣缸伸出，Z軸氣缸下降，放下工件；Z軸氣缸上升，延伸氣缸縮回，Y軸氣缸復(fù)位；絲桿（伺服電機(jī)驅(qū)動）復(fù)位。如料筒有工件，則重復(fù)此過程。如為黑色工件，則皮帶擋板松開，工件通過皮帶擋板，到達(dá)皮帶線末端。如料筒有工件，則重復(fù)此過程。智能機(jī)械手實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)物如圖9所示。

圖9 智能機(jī)械手實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)物

該系統(tǒng)I/O 分配表如表1 所示，主程序流程如圖10所示。

表1 I/O分配表

圖10 系統(tǒng)主程序流程

5 測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，制作出嵌入式運(yùn)動控制箱并投入使用。測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

根據(jù)以上功能測試結(jié)果，可以確定預(yù)期的功能都可以實(shí)現(xiàn)。CPU 最大工作頻率達(dá)100 MHz，說明系統(tǒng)能夠以比較高的速度運(yùn)行程序，保證了系統(tǒng)的時(shí)效性；輸入口最大輸入電流達(dá)50 MA，說明輸入口可以承受較大的輸入電流，能適應(yīng)各種情況下的輸入載荷；最大PWM輸出頻率達(dá)20 kHz，說明可以給伺服電機(jī)驅(qū)運(yùn)器（或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器）提供比較高的PWM信號，以驅(qū)動伺服電機(jī)（或步進(jìn)電機(jī)）以高速運(yùn)轉(zhuǎn)；PWM 輸出精度達(dá)99.8%，保證了整個(gè)運(yùn)動控制系統(tǒng)的精度能達(dá)到一個(gè)較高的水平；PWM 輸出占空比范圍為0.4%～99.6%，說明可以適應(yīng)各種伺服電機(jī)驅(qū)動器（或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器）對輸入PWM信號的占空比要求。以上測試結(jié)果證明了該嵌入式運(yùn)動控制箱能達(dá)到預(yù)期的功能和性能，可廣泛應(yīng)用于對性價(jià)比要求比較高、精度要求相對不太高的運(yùn)動控制場景[17-20]。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式運(yùn)動控制箱。該運(yùn)動控制箱內(nèi)嵌電源模塊，無需外加電源模塊，具有如下特點(diǎn)：使用光電耦合器對模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)行隔離，避免了模擬信號干擾數(shù)字信號；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該運(yùn)動控制箱成本低、體積小，性價(jià)比高；以第二代ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位微控制器LPC1752為控制核心，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)4通道PWM輸出、20通道的數(shù)字輸入和16通道的數(shù)字輸出。

通過實(shí)際驗(yàn)證，基于第二代ARM Cortex-M3 內(nèi)核32位微控制器（LPC1752）的嵌入式運(yùn)動控制箱可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，性能良好，性價(jià)比高，已在職業(yè)培訓(xùn)中投入使用，效果良好。