基于GD32H759的嵌入式運動控制系統解決方案

系統簡介

近年來，由于社會高速發展，對運動控制系統的要求越來越高。傳統的基于PC及低端微控制器逐漸滿足不了現代制造的工藝要求。隨著嵌入式技術的日臻完善，嵌入式運動控制器已經開始在工業自動化市場上占據主導。基于ARM技術的微處理器具有體積小、低成本、低功耗的特點，在工業自動化運動控制領域具有廣闊的發展前景。

圖1運動控制系統原理

基于GD32H759系列超高性能MCU優秀的數據計算能力，硬件設計方案方案采用ARM+FPGA的架構。本運動控制系統總體設計方案，使用MODBUS-RTU/TCP及本公司自定義“太控”協議設計串口通訊程序，設計了動態表，將HMI的運動控制信息進行存儲，利用HMI畫面實現人機交互。硬件平臺設計如圖2所示。

圖2運動控制硬件平臺

系統框架

在系統中ARM是主處理器，用來實現系統的觸發、系統命令的發送、任務調度、切換等功能。FPGA是接收并解析ARM處理好的數據，并最終根據ARM的命令完成脈沖發送、脈沖計數及運動任務掌控等功能，作為ARM的外設使用。

大多工業自動化的運動控制都需要考慮到系統實時性、數據處理、以及實際應用的需求。ARM+FPGA的硬件設計方案以ARM(GD32H759)為主控制芯片，主要完成電機參數、插補計算、人機交互、加工文件管理等控制。輔助芯片FPGA負責完成各軸脈沖輸出、原點檢測、輸入信號處理等。

控制器關鍵參數規格列下表所示：

ARM+FPGA的架構與ARM+DSP架構比較，各有優勢，FPGA的構架能產生多路脈沖驅動波，在多軸配合、多軸運動控制、IO擴展、存儲等方面有絕對優勢，DSP架構優勢在于能實現復雜的數據計算。

在整體設計中，FPGA掛在ARM的地址空間上作為ARM的外設使用。FPGA要完成掌控任務首先要先在ARM中運行包含FPGA所在地址的指令，運行后ARM選中FPGA,FPGA接收到自己被選中的信息后檢測地址總線上ARM發送的地址數據，解析完成總線上傳輸的數據之后開始動作。寄存器也是運動控制最重要的一環，ARM對FPGA的完全控制就是通過提前對FPGA內部的寄存器進行配置。

圖3 GD32H759 MCU工作平臺

總結

GD32H759具有超強的計算能力，得益于優秀的GD32H759硬件平臺，控制系統采用ARM+FPGA的構架，能實現更多軸的同時運動控制，同等需求下較于ARM+DSP的架構硬件成本更低，產品在市場競爭中優勢更大。GD32H759經我們方案驗證，在實際運用過程中擁有極強的穩定性、優異的可擴展性。

工業自動化很多客戶的需求由原來的一機專用演化為一機多用，這種運動控制器在數據處理、數據存儲、IO配置、多軸聯動等功能上都要經得過考驗，而搭載GD32H759的ARM+FPGA的構架能很好的搭建出適應市場需求的平臺。

搭載GD32H759的ARM+FPGA構架控制器平臺在脈沖頻率上遠超原本的平臺，在特殊運用環境中可配置能力更高、適用性更廣、控制處理更快，能大幅減少加工時間。