基于ARM的嵌入式一体化工业控制机硬件系统设计

介绍一种基于Atmel 公司AT91M40800 芯片的嵌入式一体化工业控制机硬件系统的设计。该系统提供了32 位高速数据处理能力，并配有CPLD、LCD、PS/2 键盘、CF 卡、USB 及串行接口等多项功能，并留有16 路输入/输出扩展口，体积小巧，便于携带，操作方便，可通用于许多工业控制领域，特别是需要用步进电机控制二维和准三维运动控制的场合。
关键词：ARM；嵌入式系统；一体化；工业控制
嵌入式微机工业控制技术是 20 世纪以来在计算机应用实践中产生和发展起来的非常经济实用的一种自动化技术，它集电气、机械、计算机、通信等技术于一体，具有速度快、工作方式灵活、可靠性高、信息处理能力强、成本低、适用范围广等特点，在工业领域中已得到广泛的应用。目前国内工业控制场合中用的嵌入式工控设备大多采用的是以8 位单片机（MCS-51）为内核，有价格低廉、设计较容易、能达到一般要求的优点，但也存在着存储容量小，独立工作时功能较弱，较强功能要与PC机联机才能实现，实时性能不强，定位精度不高，人机交互复杂，操作不方便等。我们选用功能强大的32 位嵌入式微处理器ARM 来代替8 位单片机，并将控制板与电源、步进电机和被控制设备集成于一体，形成一种新的机型——嵌入式一体化工业控制机。
嵌入式一体化工业控制机是一套与工控工作台集成在一起的单片机控制系统，配备了合适尺寸的液晶显示屏以显示工作菜单；可接入PS/2 标准键盘；显示内容包括文字、流水号、日期和图形；可通过RS232 串行口或USB 接口与PC 机和其它设备连接；CF 卡接口可以接入8M～2G 的CF 卡；NAND flash用作稳定存储；有JTAG 接口用于调试；另有三个面板按键（确认键、下移键、返回键）以及一个急停键单独控制操作；支持多国语言菜单等。由于采用较高性能的处理器及相关外围硬件设备，该系统数据通信协议更加可靠、合理、易于扩展；人机交互操作更加友好、方便；系统集成度更高、体积更小。
该系统既可作为嵌入式系统独立工作，也可作为从属功能设备由PC 机进行控制，以完成更复杂的工作。该系统有三种工作模式：独立工作模式、联机工作模式和维护工作模式。
在机电一体化项目中，经常会遇到工件需做往返运动或需精确定位等场合，这些项目采用步进电机控制简单易行。因此内含步进电机的嵌入式一体化工业控制机应用广泛，可用作气动加工、激光加工、自动焊接等设备的控制系统。例如，能在各种金属或非金属物体上打出文字图形的机电一体化设备——打标机，应用该系统可较大幅度地提高打标的速度和精度。又如激光加工机床，它通过控制激光束和工件之间的相对位置来切割、打孔和热处理各种零器件，采用该系统能充分发挥ARM 处理器的性能，可在提高精度的同时降低生产成本，是新式机床设计和老式机床改造的一条有效途径。