基于SOPC的简易运动控制芯片方案

现在的运动控制器已经发展到了以专用芯片(ASIC)或FPGA作为核心处理部件的开放式运动控制器。这样的解决方案突出的特点，是让运动控制的处理部分以独立的、硬件性方式展开，增加系统的性能和可靠性,从而有效地解决了以单纯的MCU或DSP系统的处理带宽限制，以及用户系统软件和运动控制软件混杂性的问题。
业界也早已出现了各种类型的运动控制专用芯片，虽然有较高的功能、性能，但一般都比较复杂，使得客户应用起来非常困难。
用户们常常需要一种容易使用的运动控制芯片与通用MCU/CPU结合起来的系统方案，用以面向更一般性的或中低端的应用场合。这样的方案里，运动控制芯片部分可以担当关键的马达控制信号发生功能，又可以拥有较高的性能和其他的系统性接口资源(若是利用8253/8254之类的计数器，就显得捉襟见肘，计数长度太短，且没有其他资源）；而在MCU/CPU部分可以通过一些简单的控制指令完成对马达运动的控制，更多的资源用来处理系统界面或应用软件。
简单而言，就是需要一个方案有效地协调了运动控制系统的软硬件的分工，软件部分方便客户开发，硬件部分确保系统性能。
深圳市斯迈迪科技发展有限公司(Smarteer)推出的SM1000系列SOPC运动控制芯片就是上述需求的解决方案。它是在高性能系列运动控制FPGA/芯片—SM5000方案后，经过不断的技术积累和市场调查后，特地为中低端市场应用推出的。
SM1000是一个简易的运动控制芯片系列，它提供长达32位的可编程计数和脉冲发生的功能，脉冲频率可以高达10M赫兹以上，同时在芯片内部增加了许多系统性的资源，比如：内置3-8译码器、地址锁存器、矩阵键盘扫描接口和通用I/O等。由于芯片是SOPC技术方案，因此还可以根据客户的具体需求做定向化的设计。
SM1000简易而又方便于客户应用，它面向更广泛、更一般的运动控制应用领域。利用它结合MCU/CPU可以便捷地组建成一个运动控制系统，尤其是一些嵌入式、系统集成的应用系统。
SM1000非常适合于独立多轴的马达控制场合，同时结合控制软件也可以非常灵活地实现常见的加减速运动控制，甚至多轴联动控制。
以下是SM1000系列芯片技术特点和应用介绍。
一、SM1000芯片方案的技术指标
⑴ 输入时钟CLK频率最高到78MHz；
⑵ 1-4路32位计数器，可达计数范围为：1~ 2,147,483,647；
⑶ 1-4路32位直接脉冲分频器，可设置频率系数范围为：1~ 2,147,483,647；
⑷ 1-4路正/反向脉冲输出，可接成差分输出；
⑸ 1-4路正/反向脉冲输出有效指示，可接成差分输出；
⑹ 最高输出脉冲频率为：CLK/64(SM1001不同)；
⑺ 其他功能：
a) 内置3-8译码器，输出7个附加片选信号；
b) 8通用输入+8通用输出；
c) 可接8x8矩阵键盘，直接读取按键编码/有效值；
d) 8位数据接口(内置地址锁存，可以直接接MCS51 CPU)。
二、SM1000系列规格

三、SM1000功能框图

图1. SM1000功能框图

1. 复位
2. 锁存
3. 总线
4. 2-4路计数器
5. 2-4路32位脉冲分频器
6. GPIO
7. 3-8译码器
8. 8x8矩阵键盘
四、功能引脚介绍

五、应用方向举例
1. 步进马达控制器
2. 轻纺设备：缝纫机/绣花机等
3. 机器手/臂
4. 空间座标测量/定位系统
5. 经济型通用运动控制器
6. 钻孔、铣边设备
7. 其他

六、编程应用介绍
A、CPU接口
该芯片采用通用8051 8位地址/数据复用接口。由于芯片内置了地址锁存器，因此可以直接与8051单片机地址/数据总线相连，而不需要通过地址锁存器分离出地址和数据总线。另外，该芯片内置了一个3-8译码器，可以输出7个片选信号，以供用户扩展地址译码用。这样，极大地方便了用户基于8051单片机的应用系统设计。整个接口只需要14根线。包括：
a) 8根地址/数据总线：AD0~7
b) 3根片选线：CS1~3
c) 1根地址锁存允许线：ALE
d) 1根读允许线：RD_n
e) 1根写允许线：WR_n
输出7根片选线，地址划分见地址分配表。
B、地址分配

C、CPU读/写操作
读写脉冲计数器：
脉冲计数器的值可以用命令直接写，但要读出时，就必须先用锁存脉冲计数器值命令，先锁存起来，再用命令直接读；如下所示。
写脉冲计数器操作格式：
a、（*地址）= 数据 ;
其中：地址=基地址+0+nn*16+mm; nn=(0~3)为通道号，mm=(0~3)为字节地址；
数据为8位字节数据。
读脉冲计数器操作格式：
a、(*锁存地址)= 任意数据;
b、变量=(*读地址);
其中：锁存地址=基地址+10+nn*16; nn=(0~3)为通道号，10为锁存脉冲计数器地址；
锁存命令的数据为8位字节任意数据，其值无意义。
读地址=基地址+0+mm; mm=(0~3)为字节地址；
注意：脉冲计数器长度为32位，允许全范围设置：0x00000000~0xFFFFFFFF。实际输出脉冲个数由下面公式给出：
脉冲个数=（脉冲计数器值+1）/2；
当脉冲计数器值为最大值0xFFFFFFFF时，允许最大脉冲个数为2,147,483,648。
当脉冲计数器值为最小值0x00000001时，允许最小脉冲个数为1。
其中，脉冲计数器值应该为奇数，如为偶数，则最后一个脉冲宽度很窄。输出脉冲为对应频率的方波。
写脉冲频率数据：
写脉冲频率数据操作格式：
a、（*地址）= 数据 ;
其中：地址=基地址+4+nn*16+mm; nn=(0~3)为通道号，mm=(0~3)为字节地址；
数据为8位字节数据。
32位情况：脉冲频率值长度为32位，允许设置范围为：0x00000001~0xFFFFFFFF。实际输出脉冲频率由下面公式给出：
当脉冲频率值0x00800000 时：
脉冲频率=(输入时钟频率/228)*脉冲频率值；
当脉冲频率值≥0x00800000 时：
脉冲频率=(输入时钟频率/（236+228）*脉冲频率值。
24位情况：脉冲频率值长度为24位，允许设置范围为：0x000001~0xFFFFFF。实际输出脉冲频率由下面公式给出：
当脉冲频率值0x00400000 时：
脉冲频率=(输入时钟频率/225)*脉冲频率值；
当脉冲频率值≥0x00400000 时：
脉冲频率=(输入时钟频率/（233+225）*脉冲频率值。
启动脉冲通道工作：
启动脉冲通道工作操作格式：
a、（*地址）= 数据 ;
其中：地址=基地址+8;
数据为8bit字节，作为允许启动标志，定义为：
D0----为1时，允许通道1启动，为0时不启动；
D1----为1时，允许通道2启动，为0时不启动；
D2----为1时，允许通道3启动，为0时不启动；
D3----为1时，允许通道4启动，为0时不启动。
停止脉冲通道工作：
停止脉冲通道工作操作格式：
a、（*地址）= 数据 ;
其中：地址=基地址+9;
数据为8bit字节，作为允许停止标志，定义为：
D0----为1时，允许通道1停止，为0时不停止；
D1----为1时，允许通道2停止，为0时不停止；
D2----为1时，允许通道3停止，为0时不停止；
D3----为1时，允许通道4停止，为0时不停止。
回读数据锁存：
CPU要读相应功能的数据，就必须先锁存其数据，才能读；否则，只能读取上次锁存的数据。共有下面三种功能数据：
1. 脉冲计数器值：32bit；
2. 通用输入口值：8bit；
3. 按键编码值： 7bit；
CPU读数据是按8 bit字节读方式进行的，32 bit脉冲计数器值需要读4次，可按0~3任意顺序读取。8 bit值只能从地址0读取。格式为：
a、(*锁存地址)= 任意数据;
b、变量=(*读地址);
其中：锁存地址和读地址，可参见地址分配表3。
8/8位通用输入/输出口：
该芯片包含8位通用输入口和8位通用输出口。
8位通用输入口读命令为：
a、(*锁存地址)=任意数据;
b、变量=(*读地址);
其中：锁存地址=基地址+12；
读地址=基地址+0；（所有读地址相同）
8位通用输出口写命令为：
a、(*写地址)= 数据;
其中：写地址=基地址+11；
写数据为8位字节数据。
8x8键盘接口：
该芯片支持8X8矩阵键盘，自动扫描键盘，识别按键键码，CPU通过接口可读取当前按键编码值。命令如下：
a、(*锁存地址)=任意数据;
b、变量=(*读地址);
其中：锁存地址=基地址+28；
读地址=基地址+0；（所有读地址相同）
按键编码格式：

标志位：为1表示有键正按下，为0表示没有按键；
X：忽略；
回读码：取0~7为当前按键所对应的行(或列)编码，特指输入线(KBC_0~7)；
扫描码：取0~7为当前按键所对应的列(或行)编码；特指输出线(KBS_0~7)；
七、编程示例
//A、地址常量定义：（设芯片基地址为0xe000）
#define MC_sys_CLK 32000000 //定义芯片工作频率
#define MC_CNT_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe000 //定义计数器值写基地址
#define MC_CNT_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00A //定义计数器锁存写基地址
#define MC_FRQ_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe004 //定义频率值写基地址
#define MC_Startup_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe008 //定义启动写基地址
#define MC_Stop_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe009 //定义停止写基地址
#define MC_GPOut_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00B //定义通用输出值写基地址
#define MC_GPIn_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe00C //定义通用输入值锁存写基地址
#define MC_KB_Latch_WR_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe01C //定义键盘编码值锁存写基地址
#define MC_ RD_Base_Addr (volatile unsigned char *) 0xe000 //定义回读值读基地址
//B、子程序片：
//0、延迟子程序：芯片读/写命令间要求有一定的定时间隔。
void delay(int n)
{ int i;
for( i = 0; i}
//1、写第n通道脉冲数值（必须为奇数）
cnt = Np*2-1;
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+0] = (char)((cnt>> 0) 0x0ff);delay(10);
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+1] = (char)((cnt>> 8) 0x0ff); delay(10);
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+2] = (char)((cnt>>16) 0x0ff); delay(10);
MC_CNT_WR_Base_Addr[n*16+3] = (char)((cnt>>24) 0x0ff);
//2、读第n通道脉冲数值
MC_CNT_Latch_WR_Base_Addr [n*16+0] = (char)0; delay(10); //锁存第n通道脉冲数值
Cnt = MC_ RD_Base_Addr [0]; delay(10); //回读数据0字节
Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [1]8; delay(10); //回读数据1字节
Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [2]16; delay(10); //回读数据2字节
Cnt |= MC_ RD_Base_Addr [3]24; //回读数据3字节
if( Cnt ==0xffffffff )
{ //第n通道脉冲输出完处理
}
//3、写第n通道脉冲频率值
Nfrq= frq_pulse*0x10000000/MC_sys_CLK; //注意整数运算溢出问题
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+0] = (char)((Nfrq>> 0) 0x0ff); delay(10);
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+1] = (char)((Nfrq>> 8) 0x0ff); delay(10);
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+2] = (char)((Nfrq>>16) 0x0ff); delay(10);
MC_FRQ_WR_Base_Addr [n*16+3] = (char)((Nfrq>>24) 0x0ff);
//4、启动多个通道脉冲工作
MC_Startup_WR_Base_Addr[0] = (F0 1) | ((F11)2) | ((F22)4 | ((F33)8) ;
//5、停止多个通道脉冲工作
MC_Stop_WR_Base_Addr[0] = (F0 1) | ((F11)2) | ((F22)4 | ((F33)8) ;
//6、8位通用输出口输出
MC_GPOut_WR_Base_Addr [0] = (char)(GPOut 0x0ff) ;
//7、8位通用输入口输入
MC_GPIn_Latch_WR_Base_Addr [0] = (char)0; delay(10); //锁存通用输入口值
GPIn_V = MC_ RD_Base_Addr [0] ;
//8、7位键盘按键编码输入
MC_KB_Latch_WR_Base_Addr [0] = (char)0; delay(10); //锁存按键编码值
KBCode = MC_ RD_Base_Addr [0] ;
if(KBCode 0x80)
{
//当前有按键按下处理
}
八、基于SM1000的运动控制系统框图
在图2方案里，除了1-4轴运动控制本身之外，在板上根本不需要译码器、锁存器之类的芯片，按键扫描电路也节省了不少MCU带宽开销，数字量通用输出/输入也增加了系统的控制方便性。

图2. 基于SM1000的运动控制系统框图