基于I2C和雙ARM的PCB鉆床控制器設(shè)計(jì)

　　1.引言

　　印刷電路板鉆床是印刷電路板生產(chǎn)中的重要裝備，隨著電子產(chǎn)品加工要求的提高，低檔的基于單片機(jī)的PCB 鉆床控制器已經(jīng)很難滿足要求。ARM7TDMI 是20 世紀(jì)末ARM 公司提出的一種32 位的RISC 微控制器結(jié)構(gòu), 基于該內(nèi)核的芯片種類豐富，具有運(yùn)行速度高，功耗小和價(jià)格低的特點(diǎn)。本文介紹了一種基于雙ARM 結(jié)構(gòu)的PCB 鉆床控制器，它既解決傳統(tǒng)低檔鉆床控制系統(tǒng)性能不高的缺點(diǎn)，同時(shí)又具有很高的經(jīng)濟(jì)性，是高檔PCB 鉆床理想的控制器。

　　數(shù)控系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分，一般有單 CPU 和多CPU 之分[5]。單CPU 一般采用集中控制分時(shí)處理的方式完成數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但是功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單。多CPU 結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)采用多CPU 并行處理，可以使系統(tǒng)達(dá)到更高的性能。多CPU 一般采用共享總線或共享存儲(chǔ)器方式進(jìn)行通信。鉆床控制器的控制對(duì)象比較復(fù)雜：需要控制4套松下MINAS交流伺服系統(tǒng)，4個(gè)主軸電機(jī)以及9路開(kāi)關(guān)量輸入，11路繼電器輸出。如果控制器采用單CPU結(jié)構(gòu)，控制器需要擴(kuò)展較多硬件，增加系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)可靠性；如果控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，控制器可以根據(jù)功能進(jìn)行分層設(shè)計(jì)：將信息處理量大的人機(jī)交互系統(tǒng)任務(wù)交由一個(gè)CPU負(fù)責(zé)，而機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制交由另一個(gè)CPU來(lái)處理。這樣減少了外擴(kuò)硬件的數(shù)量，降低了成本，提高了可靠性。具體是指：控制器用三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X作為人機(jī)交互系統(tǒng)的CPU，用飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2214作為機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的CPU。

　　2.控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　控制器由系統(tǒng)板和接口板組成：系統(tǒng)板是由LPC2214 和S3C44B0X 及其相關(guān)外圍電路構(gòu)成的，是控制器的核心；接口電路板主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)板和機(jī)床電器之間的驅(qū)動(dòng)，電平匹配。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)參考圖1。

　　圖1 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 控制器系統(tǒng)板硬件設(shè)計(jì)

　　控制器系統(tǒng)板由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：人機(jī)交互系統(tǒng)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。人機(jī)交互系統(tǒng)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)I2C 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。I2C 總線是飛利浦公司提出的串行總線，具有速度較高，硬件連接十分簡(jiǎn)單，無(wú)需增加硬件的特點(diǎn)。

　　2.1.1 控制器人機(jī)交互系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　控制器人機(jī)交互系統(tǒng)采用 S3C44B0X 為核心,擴(kuò)展一系列硬件，構(gòu)成一個(gè)具有完善的人機(jī)交互功能的系統(tǒng)。系統(tǒng)擴(kuò)展了一片具有16 位數(shù)據(jù)寬度,2MB 的存儲(chǔ)空間的NOR 型Flash 存儲(chǔ)器芯片SST39VF1601 作為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。為了提高系統(tǒng)程序的執(zhí)行速度，我們擴(kuò)展了一片1M*4Bank*16I/O 的HY57V641620 型SDRAM。系統(tǒng)一上電，系統(tǒng)初始化程序就把SST39VF1601 中存儲(chǔ)的系統(tǒng)程序拷貝到HY57V641620 中，同時(shí)，系統(tǒng)程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)也在HY57V641620 中，這樣系統(tǒng)程序可以完全在SDRAM 中運(yùn)行。為了保證機(jī)床鉆孔文件在機(jī)床停電后仍然能夠保存，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片16MB NandFlash 芯片K9F2808 作為系統(tǒng)的電子硬盤。由于S3C44B0X 自帶液晶顯示控制器，所以系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的不帶液晶顯示控制器的STN 型256 色640x480 像素的EDMGRB8KHF 液晶顯示模塊作為機(jī)床信息的輸出。系統(tǒng)操作信息的輸入采用PS/2 鍵盤。系統(tǒng)通過(guò)RS232 串口從PC 機(jī)上下載鉆孔文件。為了方便系統(tǒng)調(diào)試程序，人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)JTAG 口。

　　機(jī)床的一些重要的參數(shù)例如像機(jī)床進(jìn)給軸絲杠的螺距，交流伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量等數(shù)據(jù)需要永久保存，所以系統(tǒng)擴(kuò)展了一片512B 的基于I2C 總線的EEPROM 芯片AT24C04 。機(jī)床人機(jī)交互系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1 控制器系統(tǒng)板中以S3C44B0X 為中心的硬件結(jié)構(gòu)。

　　2.1.2 機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是 LPC2214 微控制器。LPC2214 內(nèi)部自帶256KB 的flash存儲(chǔ)器和16KB 的SRAM，無(wú)需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)RS232串口，用于LPC2214 系統(tǒng)程序的ISP 下載。為了便于調(diào)試程序，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)JTAG 口。機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1 控制器系統(tǒng)板中以LPC2214 為中心的硬件結(jié)構(gòu)。機(jī)床電器都通過(guò)接口電路直接與LPC2214 相連。其引腳分配如下所示：

　　2.1.3 人機(jī)交互系統(tǒng)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的通信

　　數(shù)控系統(tǒng)的加工指令經(jīng)過(guò)S3C44B0X 的處理后要傳給LPC2214 進(jìn)行執(zhí)行，而LPC2214執(zhí)行的結(jié)果要返回給S3C44B0X 進(jìn)行處理和顯示。系統(tǒng)采用I2C 總線進(jìn)行通信。S3C44B0X工作在主器件模式，而AT24C04 和LPC2214 工作在從模式。AT24C04 的從地址是0xa0,LPC2214 的從地址是0x50，I2C 的速率