【文章內(nèi)容簡介】 器 PDC 大大增強(qiáng)了實(shí)時(shí)器件的性能。此器件適用于開發(fā)工業(yè)自動化系統(tǒng)、MP銷售終端、GPS 接收機(jī)以及無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等對功耗敏感而且要求具有實(shí)時(shí)性的產(chǎn)品。AT91FR40162 微控制器的特點(diǎn)是在一個(gè) 121ball BGA 封裝中集成了 256 KB 的片內(nèi) SRAM 和 16Mbit 的 Flash 存儲器。它為許多計(jì)算密集的嵌入式控制應(yīng)用領(lǐng)域提供了功能強(qiáng)大、使用靈活而且性價(jià)比高的解決方案，同時(shí)還可以幫助用戶減小 PCB 尺寸和系統(tǒng)成本。Flash 存儲器可以通過 JTAG/ICE 接口或者廠家編寫的 Flash Up loader 軟件進(jìn)行編程，從而使 AT91FR40162 適合于在系統(tǒng)可編程應(yīng)用 [21] [22]?！◇w系結(jié)構(gòu)AT91FR40162 是由 ATMEL 公司的 AT91R40008 ARM/Thumb 微控制器和 1 個(gè)13AT49BV1604A/1614A 16Mbit Flash 存儲器集成的 121ball BGA 封裝器件。除了Flash 存儲器使能信號以外的所有地址、數(shù)據(jù)和控制信號都是內(nèi)部互連的。AT91R40008 體系結(jié)構(gòu)包括 2 條主要總線：先進(jìn)的系統(tǒng)總線 ASB 和先進(jìn)的外圍總線APB。ASB 被設(shè)計(jì)為最佳性能，由存儲控制器控制。ARM7TDMI 通過 ASB 與片內(nèi)32 位存儲器、外部總線接口 EBI 和 AMBA 橋進(jìn)行接口。AMBA 橋驅(qū)動 APB，APB被設(shè)計(jì)用于訪問片內(nèi)外圍并且進(jìn)行了低功耗優(yōu)化。AT91FR40162 將 ARM7TDMI 處理器的 ICE 端口接到一些專用的引腳上，從而為目標(biāo)調(diào)試提供了完整、低價(jià)且易用的調(diào)試解決方案 [28]。（1）存儲器　　AT91FR40162 嵌入了 256 KB 的內(nèi)部 SRAM。這個(gè)內(nèi)部存儲器是單周期訪問的，它直接與 32 位數(shù)據(jù)總線相連。這樣通過使用微控制器的 ARM 指令集在 66 MHz 下可以提供 60 MIPS 的最高性能，同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗。AT91FR40162 以擁有 1 個(gè)外部總線接口 EBI 為特性，它用于連接外部存儲器和專用外圍設(shè)備。 EBI 支持 8 或 16位器件并且可以使用 2 個(gè) 8 位器件來仿真 1 個(gè) 16 位器件。EBI 執(zhí)行早讀協(xié)議，與標(biāo)準(zhǔn)的存儲器接口相比，能夠提供更快的存儲器訪問速度。AT91FR40162 嵌入了 1 個(gè)由 1024K 字 16 位字組成的 Flash 存儲器，通過 EBI 可以訪問它。Flash 的主要功能是作為程序存儲器。1 條 16 位的 Thumb 指令可以在 1 個(gè)訪問周期從 Flash 存儲器被加載。分離的 MCU 和 Flash 復(fù)位輸入（NRST 和 NRSTF）是為了得到最大的系統(tǒng)靈活性，方便用戶自由地根據(jù)應(yīng)用選擇復(fù)位操作。AT91FR40162 集成了一個(gè)叫AT91 Flash Up loader 的駐留引導(dǎo)軟件。AT91 Flash Up loader 軟件能夠向 Flash 存儲器加載應(yīng)用軟件。（2）外 圍AT91FR40162 集成了多個(gè)外圍，它們被分成 2 類：系統(tǒng)外圍和用戶外圍。所有的片內(nèi)外圍都可以通過 AMBA 橋接受 32 位的訪問。外圍寄存器由控制寄存器、模式寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和使能/禁止/狀態(tài)寄存器組成。外圍數(shù)據(jù)控制器PDC 在片內(nèi) USART 和片內(nèi)或片外的存儲器之間傳輸數(shù)據(jù)，并且無需處理器的介入。最重要的一點(diǎn)是，PDC 消除了數(shù)據(jù)傳輸中斷的額外開銷，從而在不需要重新編程起始地址的情況下可以連續(xù)傳輸高達(dá) 64 KB 的數(shù)據(jù)。這樣不僅增加了微控制器的性能，而且降低了功耗 [21][22][23] [27]。14　CAN 總線技術(shù)CAN 全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一；它是一種多方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤；能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線是一種多主機(jī)局域網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。 CAN 總線的主要特性： (1)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；　　(2) 采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；　　(3) 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CANbus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；　　(4) 可根據(jù)報(bào)文的 ID 決定接收或屏蔽該報(bào)文；　　(5) 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；(6)發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；　　(7) 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；　　(8) 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。CAN 總線作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場與控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場“采用現(xiàn)場總線來構(gòu)建集成系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有比點(diǎn)點(diǎn)型連線少，靈活性高，故障率低；比局域網(wǎng)連接方式結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)底” ?！”菊滦〗Y(jié)本章介紹了運(yùn)動控制相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。以日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP運(yùn)動控制專用芯片 MCX314 為核心，討論了兩種方案，分析了各自特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用 ARM7 芯片來控制 MCX314 構(gòu)成外置式的運(yùn)動控制器的方案。并對主要芯片作了介紹。153 電路的運(yùn)動控制器的硬件設(shè)計(jì)該方案選用 ATMEL 公司的 AT91FR40162 作為主控制芯片，由它來控制運(yùn)動控制專用芯片 MCX314。再加上外圍電路，就構(gòu)成了整個(gè)運(yùn)動控制器系統(tǒng)。簡單的說，整個(gè)系統(tǒng)的工作機(jī)制就是通過主 CPU 對 MCX314 的寄存器的寫和讀，來完成脈沖輸出驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)以及查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示：圖 31　系統(tǒng)整體框圖從圖中我們可以看出，該系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊：電源模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、調(diào)試接口模塊、輸入輸出通道模塊、通信模塊等。 硬件設(shè)計(jì)　電源模塊設(shè)計(jì)電源為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位，如果電源系統(tǒng)處理得好，整個(gè)系統(tǒng)的故障往往能減少一半。在本系統(tǒng)中，MCX314 采用 5V 電源供電，必須將它的 7 個(gè) VDD 引腳連接到 5V 電源 [1]。同時(shí)在 MCX314 的16VDD 和 GND 之間加放 1～2 個(gè)高頻特性好的 左右的電容。而 AT91FR40162內(nèi)核需要 電壓，片內(nèi)外圍要求 的電壓。其余外圍器件用 5V 電壓。綜上，系統(tǒng)共需要三種電源：5V、。為簡化設(shè)計(jì)，采用 5V 電源供電，然后采用 和 LM317 得到 和 的電壓。具體的電路圖如圖 32 所示： 圖 32 電源模塊框圖　時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)MCX314 需要一個(gè) 的主時(shí)鐘信號來啟動芯片內(nèi)部的同步電路，驅(qū)動速度、加/減速度、加速度/減速度的變化率都根據(jù)此頻率。對于 AT91FR40162 來說，如果 MCKI 引腳由 1 個(gè)外部源提供，那么 AT91FR40162 則為一個(gè)完全靜態(tài)的設(shè)計(jì)，并工作于主時(shí)鐘 MCK（66MHz）下。主時(shí)鐘還在引腳 MCKO 上作為器件的輸出，這個(gè)引腳與一個(gè)通用 I/O 線復(fù)用。當(dāng) NRST 處于活動狀態(tài)并且發(fā)生復(fù)位后， MCKO有效并輸出 MCK 信號的映像。必須編程 PIO 控制器來使用這個(gè)引腳作為標(biāo)準(zhǔn) I/O線 [1] [21] [22]。我們分別選用了 16MHz 和 66MHz 的晶振來構(gòu)建兩個(gè)主芯片的時(shí)鐘電路，具體電路實(shí)現(xiàn)見圖 33。17圖 33 時(shí)鐘模塊框圖　復(fù)位模塊電路設(shè)計(jì) 微控制器在上電時(shí)狀態(tài)并不確定，則造成微控制器不能正確的工作 [10]。為解決這個(gè)問題，所有的微控制器都需要有一個(gè)復(fù)位邏輯，它負(fù)責(zé)將控制器初始化為某個(gè)確定的狀態(tài)，這個(gè)復(fù)位邏輯需要一個(gè)信號才能工作。微控制器自己上電時(shí)會產(chǎn)生復(fù)位信號，但是多數(shù)控制器需要外部輸入這個(gè)信號。由于這個(gè)信號會使微控制器初始化為某種狀態(tài)，所以這個(gè)信號的穩(wěn)定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響。簡單的阻容復(fù)位電路成本比較低，但它不能保證任何情況產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號，由于 ARM 和 DSP 芯片的高速、低功耗、低電壓導(dǎo)致噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)相應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。本系統(tǒng)復(fù)位電路使用了專用芯片 MAX706T，提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，該芯片輸出的低電平同時(shí)對 MCX314 和 AT91FR40162 進(jìn)行復(fù)位操作。具體的電路如圖 34 所示。18圖 34 復(fù)位模塊框圖　調(diào)試接口設(shè)計(jì)調(diào)試接口采用 ARM 公司 JTAG 仿真調(diào)試接口 [22][27]。JTAG(Joint Test Action Group 聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG 技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP（ Test Access Port，測試訪問口） ，通過專用的 JTAG 測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。目前大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 ARM、DSP、FPGA 器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線：TMS、TCK、TDI 、TDO ，分別為測試模式選擇、測試時(shí)鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。JTAG 測試允許多個(gè)器件通過 JTAG 接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè) JTAG 鏈，能實(shí)現(xiàn)對各個(gè)器件分別測試。JTAG 接口還常用于實(shí)現(xiàn) ISP（InSystem Programmable 在系統(tǒng)編程）功能，如對 FLASH 器件進(jìn)行編程等。通過 JTAG 接口，可對芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，因而是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。目前JTAG 接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即 14 針接口和 20 針接口，本系統(tǒng)采用 20 針接口。如圖所示 35： 圖 35 JTAG 接口框圖19 RS232串行通信模塊設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)控制器與上位計(jì)算機(jī)的通訊，以便充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能對控制器進(jìn)行控制與管理，需要對控制器擴(kuò)展串口通訊接口電路。AT91X40 系列微控制器內(nèi)部集成了兩個(gè)完全相同的全雙工通用同步/ 異步收發(fā)器（USART）USART0 和 USART1。USART 接到 APB 并與外圍數(shù)據(jù)控制器 PDC 連接。由于 PC 機(jī)都帶有 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的串口，為方便控制器與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，我們使用了 SP232ACN 進(jìn)行 RS232 電平轉(zhuǎn)換，與 USART0 連接實(shí)現(xiàn)了 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)串口通信。SP232ACN 系列是 RS232 收發(fā)器對便攜式或手持式應(yīng)用如筆記本或掌上型電腦的一種解決方案。SP232ACN 芯片功耗低、集成度高，工作電壓為 3～ 伏供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。具體的電路如圖 36 所示。圖 36 RS232 接口框圖 CAN總線接口設(shè)計(jì)在 CAN 總線通信接口中，采用 FHILIPS 公司的 SJA1000 和 82C250 芯片。SJA1000 是獨(dú)立 CAN 通信控制器， 82C250 為高性能 CAN 總線收發(fā)器。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。硬件電路中使用 PCA82C250 還可以增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。SJA1000 在電路中是一個(gè)總線接口芯片，實(shí)現(xiàn)從上位機(jī) PCCAN 接口到現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。對于微處理器而言，SJA1000 是一個(gè)總線接口，SJA100020片內(nèi)的存儲單元相對 AT91FR40162 來說是片外的數(shù)據(jù)存儲器，因此，可以按照擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問 SJA1000 的寄存器地址。AT91FR40162 通過片選信號選通 SJA1000，并由此決定 CAN 控制器各寄存器的地址，通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問 SJA1000。在系統(tǒng)中我們將SJA1000 的 TX1 腳懸空，RX1 引腳接地，形成 CAN 協(xié)議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過 CAN 總線接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)，然后下傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在 CAN 控制器SJA1000 和 CAN 控制器接口 82C250 之間加接 6N137 光電隔離芯片；通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端兩個(gè)124W 的電阻對匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信；82C250 第 8 腳與地之間的電阻 RS 稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式 [29] [38]。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于 RS 的阻值。通常情況下， 15KW~200KW 為 RS 較理想的取值范圍。在這種方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。具體見圖 37。圖 37 CAN 總線接口框圖　輸入輸出電路設(shè)計(jì)MCX314 的輸入輸出