基于GD32H759的嵌入式运动控制高效解决方案

近年来，由于社会高速发展，对运动控制系统的要求越来越高。传统的基于PC及低端微控制器逐渐满足不了现代制造的工艺要求。随着嵌入式技术的日臻完善，嵌入式运动控制器已经开始在工业自动化市场上占据主导。基于ARM技术的微处理器具有体积小、低成本、低功耗的特点，在工业自动化运动控制领域具有广阔的发展前景。

系统简介

图1 运动控制系统原理

基于GD32H759系列超高性能MCU优秀的数据计算能力，硬件设计方案方案采用ARM+FPGA的架构。本运动控制系统总体设计方案，使用MODBUS-RTU/TCP及本公司自定义“太控”协议设计串口通讯程序，设计了动态表，将HMI的运动控制信息进行存储，利用HMI画面实现人机交互。硬件平台设计如图2所示。

图2 运动控制硬件平台

系统框架

在系统中ARM是主处理器，用来实现系统的触发、系统命令的发送、任务调度、切换等功能。FPGA是接收并解析ARM处理好的数据，并最终根据ARM的命令完成脉冲发送、脉冲计数及运动任务掌控等功能，作为ARM的外设使用。

大多工业自动化的运动控制都需要考虑到系统实时性、数据处理、以及实际应用的需求。ARM+FPGA的硬件设计方案以ARM（GD32H759）为主控制芯片，主要完成电机参数、插补计算、人机交互、加工文件管理等控制。辅助芯片FPGA负责完成各轴脉冲输出、原点检测、输入信号处理等。

控制器关键参数规格列下表所示：

 

参数	规格
功率	<5W
电压	24V DC
轴数	12轴
最大脉冲频率	单轴4MHZ
串行通讯端口	2路232  1路485  1路RJ45
IO点数	24入24出
IO扩展	支持

 

ARM+FPGA的架构与ARM+DSP架构比较，各有优势，FPGA的构架能产生多路脉冲驱动波，在多轴配合、多轴运动控制、IO扩展、存储等方面有绝对优势，DSP架构优势在于能实现复杂的数据计算。

在整体设计中，FPGA挂在ARM的地址空间上作为ARM的外设使用。FPGA要完成掌控任务首先要先在ARM中运行包含FPGA所在地址的指令，运行后ARM选中FPGA,FPGA接收到自己被选中的信息后检测地址总线上ARM发送的地址数据，解析完成总线上传输的数据之后开始动作。寄存器也是运动控制最重要的一环，ARM对FPGA的完全控制就是通过提前对FPGA内部的寄存器进行配置。

图3 GD32H759 MCU工作平台

方案优势

GD32H759具有超强的计算能力，得益于优秀的GD32H759硬件平台，控制系统采用ARM+FPGA的构架，能实现更多轴的同时运动控制，同等需求下较于ARM+DSP的架构硬件成本更低，产品在市场竞争中优势更大。GD32H759经我们方案验证，在实际运用过程中拥有极强的稳定性、优异的可扩展性。

工业自动化很多客户的需求由原来的一机专用演化为一机多用，这种运动控制器在数据处理、数据存储、IO配置、多轴联动等功能上都要经得过考验，而搭载GD32H759的ARM+FPGA的构架能很好的搭建出适应市场需求的平台。

搭载GD32H759的ARM+FPGA构架控制器平台在脉冲频率上远超原本的平台，在特殊运用环境中可配置能力更高、适用性更广、控制处理更快，能大幅减少加工时间。

审核编辑：黄飞