基于LPC2214和S3C44B0X实现PCB钻床控制器的设计

作者：殷苏民，张春树，田涛，李占发

1.引言

印刷电路板钻床是印刷电路板生产中的重要装备，随着电子产品加工要求的提高，低档的基于单片机的PCB钻床控制器已经很难满足要求。ARM7TDMI是20世纪末ARM公司提出的一种32位的RISC微控制器结构，基于该内核的芯片种类丰富，具有运行速度高，功耗小和价格低的特点。本文介绍了一种基于双ARM结构的PCB钻床控制器，它既解决传统低档钻床控制系统性能不高的缺点，同时又具有很高的经济性，是高档PCB钻床理想的控制器。

数控系统按结构分，一般有单CPU和多CPU之分。单CPU一般采用集中控制分时处理的方式完成数控系统的各项任务。它具有结构紧凑的特点，但是功能相对比较简单。多CPU结构的数控系统采用多CPU并行处理，可以使系统达到更高的性能。多CPU一般采用共享总线或共享存储器方式进行通信。钻床控制器的控制对象比较复杂：需要控制4套松下MINAS交流伺服系统，4个主轴电机以及9路开关量输入，11路继电器输出。如果控制器采用单CPU结构，控制器需要扩展较多硬件，增加系统成本，降低了系统可靠性；如果控制器采用双CPU结构，控制器可以根据功能进行分层设计：将信息处理量大的人机交互系统任务交由一个CPU负责，而机床运动控制交由另一个CPU来处理。这样减少了外扩硬件的数量，降低了成本，提高了可靠性。具体是指：控制器用三星公司生产的S3C44B0X作为人机交互系统的CPU，用飞利浦公司生产的LPC2214作为机床运动控制系统的CPU。

2.控制器的硬件设计

控制器由系统板和接口板组成：系统板是由LPC2214和S3C44B0X及其相关外围电路构成的，是控制器的核心；接口电路板主要负责系统板和机床电器之间的驱动，电平匹配。系统的硬件结构参考图1。

图1控制器硬件结构图

2.1控制器系统板硬件设计

控制器系统板由两个子系统组成：人机交互系统和机床运动控制系统。人机交互系统和机床运动控制系统通过I2C总线进行数据交换。I2C总线是飞利浦公司提出的串行总线，具有速度较高，硬件连接十分简单，无需增加硬件的特点。

2.1.1控制器人机交互系统的硬件设计

机床的一些重要的参数例如像机床进给轴丝杠的螺距，交流伺服系统的脉冲当量等数据需要永久保存，所以系统扩展了一片512B的基于I2C总线的EEPROM芯片AT24C04。机床人机交互系统电路结构如图1控制器系统板中以S3C44B0X为中心的硬件结构。

2.1.2机床运动控制系统硬件设计

机床运动控制系统的核心是LPC2214微控制器。LPC2214内部自带256KB的flash存储器和16KB的SRAM，无需外扩程序存储器和数据存储器。系统设计了一个RS232串口，用于LPC2214系统程序的ISP下载。为了便于调试程序，运动控制系统设计了一个JTAG口。机床运动控制系统电路结构如图1控制器系统板中以LPC2214为中心的硬件结构。机床电器都通过接口电路直接与LPC2214相连。其引脚分配如下所示：

2.1.3人机交互系统和机床运动控制系统的通信

数控系统的加工指令经过S3C44B0X的处理后要传给LPC2214进行执行，而LPC2214执行的结果要返回给S3C44B0X进行处理和显示。系统采用I2C总线进行通信。S3C44B0X工作在主器件模式，而AT24C04和LPC2214工作在从模式。AT24C04的从地址是0xa0，LPC2214的从地址是0x50，I2C的速率为400KHz。S3C44B0X和LPC2214各自建立一个24字节的全局数组进行通信。

3.软件设计

软件部分主要由人机交互系统软件和机床运动控制系统软件组成。人机交互系统软件结构比较复杂，所以软件移植了μC/OS－II操作系统。机床运动控制系统软件结构比较简单，但是这部分软件有很强的实时性要求，所以软件没有移植操作系统，而是采用时间触发模式编写。

3.1人机交互系统软件设计

人机交互系统软件采用分层方式进行编写。软件分为系统层和应用层。系统层设计的主要任务是首先进行嵌入式操作系统μC/OS－II移植，然后再对操作系统内核进行扩展，形成一个简单高效的平台。应用层设计是在这个平台的基础上实现加工文件的操作，机床手动加工，机床自动加工，机床参数设置等任务。

系统层以μC/OS－II操作系统内核为基础进行移植和扩展。所谓移植，是指通过编写一定代码，使得操作系统能够在特定的处理器平台上运行。根据μC/OS－II的说明，移植包括对与处理器相关的OS_CPU.H，OS_CPU_A..ASM，OS_CPU_C.C三个文件中的代码进行移植［4］。在μC/OS－II提供的内核基础上，通过设计驱动程序模块，系统任务，操作系统的API函数和任务调度模块等对操作系统内核进行扩展。通过设计实现LCD，键盘，K9F2808，I2C总线和串口通信等的接口函数，建立驱动程序模块，使操作系统API函数和底层硬件分开。系统任务部分设计了LCD刷新任务，键盘读取任务，I2C总线读写任务这三个基本任务，并随着操作系统的启动而运行。

应用层在系统层提供的API函数的基础上，设计了主任务和机床手动加工，自动加工，文件传输，参数设置等任务。系统的入口函数Main函数流程如图2所示。主任务函数结构如图3所示：

3.2.LPC2214程序设计

机床运动控制系统控制程序结构比较简单，程序模块间相对独立，但是实时性要求很高。由于嵌入式实时操作系统会占用一部分系统资源，影响系统的实时性，增加系统设计难度，所以，我们没有移植嵌入式实时操作系统，而是使用简单时间调度方式。使用该调度方式可以使程序具有较好的健壮性和稳定性。系统采用定时器来产生系统调度的节拍，利用定时器中断程序进行调度。系统使用定时器0产生系统的节拍，定时周期为1ms。系统利用PWM控制器的中断和四个比较寄存器控制交流伺服系统进给脉冲的生成。我们把任务分成两类：一类为周期任务，另一类为非周期任务。每一个任务都有一个任务控制块，任务控制块的数据结构如下：

typedefdatastruct

{void（*P_task）（void）;//指向任务的指针

unsignedintDelay;//延时时间

unsignedintPeriod;//任务再次运行的间隔时间

unsignedintrun;//任务需要运行的次数

}task;

任务控制块包含了任务被调度的重要信息：任务是周期任务还是非周期任务，以及任务在何时运行，任务准备就绪的标志等。控制系统的主要任务有：X进给轴脉冲发送任务，Y进给轴控制任务，Z1进给轴控制任务，Z2进给轴控制任务，主轴电机控制任务，换刀任务等。

4.结束语

在控制器方案考虑和设计中，我们充分考虑了嵌入式系统对功耗，成本和尺寸的敏感性。基于I2C的双ARM结构的钻床控制器具有性能优良，系统集成度高，性能可靠，人机交互友好，可扩展性好的特点，相对于传统的基于单片机的钻床控制器在性能上有很大的提高。本设计为嵌入式系统在印刷电路板控制器中的应用提供了新的思路，具有较好的应用价值。

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