基于MPC5200的运动控制器设计

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文章编号：１００８－０５７０（２００８）１０－１－００４３－０２

控制系统

基于ＭＰＣ５２００的运动控制器设计

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＭＰＣ５２００－ＢａｓｅｄＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

（上海大学ＣＩＭＳ和机器人中心）

黄国华俞涛王文斌

ＨＵＡＮＧＧｕｏ－ｈｕａＹＵＴａｏＷＡＮＧＷｅｎ－ｂｉｎ

摘要：分析并研究了基于Ｍｐｃ５２００的运动控制器在开放式数控系统的设计应用。由于Ｌｉｎｕｘ不具有硬实时性，在运动控制器

实时性。中采用了ＲＴＡＩ（ＲｅａｌＴｉｍｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆａｃｅ）实时性方案，提高了运动控制器的可靠性、

关键词：ＲＴＡＩ；运动控制器；开放式；ｍｐｃ５２００中图分类号：ＴＰ３９１．８文献标识码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｔｕｄｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＭｐｃ５２００－ｂａｓｅｄｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｔｈｅｏｐｅｎＣＮＣ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｓｏｆｔｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＬｉｎｕｘ，ｔｈｅＲＴＡＩｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｑｕａｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＴＡＩ；ＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｏｐｅｎ；ｍｐｃ５２００

在数控自动控制领域中，所谓运动控制就是对机床机械装置运动部件的位置、速度、加速度等参数进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。由于工业控制计算机ＩＰＣ（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）强大而完善的功能，基于ＰＣ标准总线的运动控制器已经在数控系统控制领域得到了广泛的应用。但是，基于ＰＣ标准总线的运动控制器由于在硬件设计上采用板卡设计，这种结构的运动控制器不宜长期工作在环境恶劣的工业现场粉尘、油污等）。因此近年来，（有振动、开放式运动控制器成为数控机床工业控制领域研究的热点。

出设计思想，由ＭｉｃｈａｅｌＢａｒａｂａｎｏｖ实现的硬实时操作系统。（ＲｅａｌＴｉｍｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆａｃｅ）是由意大利米兰理工学ＲＴＡＩ

院航天工程系发起开发的一个遵循ＧＮＵ的开源项目，ＲＴＡＩ已经支持Ｉ３８６，ＰｏｗｅｒＰＣ，ＡＲＭ，ＭＩＰＳ和Ｍ６８ｋ－ｎｏｍｍｕ等处理器，是目前支持处理器最多的ｌｉｎｕｘ实时解决方案之一。

ＲＴＡＩ的实现机制与ＲＴＬｉｎｕｘ非常相似，唯一不同的是ＲＴＡＩ在Ｌｉｎｕｘ上定义了一个实时硬件抽象层ＲＴＨＡＬ（Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅＨａｒｄｗａｒｅＡｂｓｔｒａｃｔｉｏｎＬａｙｅｒ），并针对ＲＴＡＩ开发了ＬＸＲＴ（Ｌｉｎｕｘ－ＲＴ），让ＲＴＡＩ可以调用Ｌｉｎｕｘ本身的系统调用功能。ＲＴＡＩ修改了ｌｉｎｕｘ／ａｒｃｈ／ｉ３８６中与体系结构相关的代码而形成了ＲＴＨＡＬ层，ＲＴＨＡＬ的作用是使ＲＴＡＩ能够在实时任务需要运行的任何时刻中断Ｌｉｎｕｘ．引入ＲＴＡＩ后，Ｌｉｎｕｘ的功能没有改变，但是作为优先级最低的任务运行，并且只有在没有实时任务的时候它才能执行。这样做的好处在于将直接修改ｌｉｎｕｘ核心的代码减到最小，这使得将ＲＴＡＩ移植到ｌｉｎｕｘ内核的工作量减至最低。ＲＴＡＩ实现的主要模块有ＲＴＡＩ模块、ＳＣＨＥＤ模块、ＦＩＦＯ模块、ＳＨＭ模块、ＬＸＲＴ模块，它们能动态装入和卸载。用户自己的实时任务是在ＲＴＡＩ装入后再载入。可以通过编辑／ｅｔｃ／ｒｃ．ｓｙｓｉｎｉｔ文件，在系统启动时将ＲＴＡＩ模块和用户实时模块加载到Ｌｉｎｕｘ内核中，当实时模块加入到内核后，实时模块中创建的线程和函数就可以访问系统的底层资源。

技术创新

Ｌｉｎｕｘ是一个遵循ＰＯＳＩＸ（ＰｏｒｔａｂｌｅＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒ－ｆａｃｅ）标准的多用户多任务且具有先进的网络特性开源操作系统，可以方便的进行自主知识产权的软件开发。因此基于Ｌｉｎｕｘ操作系统的ＭＰＣ５２００运动控制器，其由系统提供的模块化机

制很容易实现运动控制器上相关的文件系统管理、内存管理及实时操实现数控系统的底层加工程序。但Ｌｉｎｕｘ不是一个“硬”作系统，其内核为非抢占式的（ｎｏ－ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ），实时任务不能够得到保证，而运动控制器本身是综合性很强的技术，具有明显的实时控制、实时交互和实时监测特性。因此本文研究了

ＲＴＡＩ（Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆａｃｅ）的实现原理，提出了基于ＭＰＣ５２００的运动控制器，它加载了ＲＴＡＩ实时内核，并采用

串行总线的软连接方式，使得运动控制器可以和上位机分离，其易于实现分布式的高性能控制，降低成本，并且大大提高了运动控制器的可靠性、实时性、开放性、集成性和配置性。

２运动控制器系统设计

运动控制器微处理器采用的是摩托罗拉公司于２００３年下半年推出的新型的具有广泛发展前景的ＰｏｗｅｒＰＣＭＰＣ５２００，其内部采用了双处理器结构，有一个专门负责通信的协处理器，体现了数据通信的专业构架，并通过双端口内存（这是种极快的数据交换方式）与主处理器通信，从而使主处理器负担大幅度下降。其芯片内部含有丰富的实用型外设。基于ＰｏｗｅｒＰＣ内核的ＭＰＣ５２００是一颗低功耗、处理速度达７６０ＭＩＰＳ的嵌入式处理器。它支持以太网、串行接口、ＵＳＢ、ＰＣＩ、ＡＴＡ、Ｉ２Ｓ、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、

１实时Ｌｉｎｕｘ的实现

到目前为止，全球在Ｌｉｎｕｘ平台下开发的具有硬实时功能的系统主要有两个：ＲＴＬｉｎｕｘ和ＲＴＡＩ。ＲＴＬｉｎｕｘ最早是美国新墨西哥理工学院的一个研究项目，它是由ＶｉｃｔｏｒＹｏｄａｉｋｅｎ提

黄国华：硕士研究生

基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目项目名称：“基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的开放式控制平台”，（０３６５０５００８）

Ｊ１８５０和控制区域网（ＣＡＮ）。同时，它还支持ＤＤＲ存储器，并集

成了一个双精度的浮点单元（ＦＰＵ）。如图１