基于单片机的PCB钻床控制系统设计 第6页
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2．嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器又称单片机，其中我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM,RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8051、PS1XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68300等。而比较有代表性的半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541、支持I
3．嵌入式DSP处理器((Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度可能是O(nm)的，甚至是NP的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两类：(1)DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS
4．嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)
随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了SOC技术。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL、Verlog等硬件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统，包括处理器内核和外设，均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可分为通用和专用两类，通用SOC如Infineon(Siemens)的TriCore,Motorola的M-Core，以及某些ARM系列器件，如Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等；专用SOC一般专用于某个或某类系统中，如Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载Java或C语言的专用SOC，可用于互联网安全方面。国际上有一种新的趋向，可以购买IP知识产权核模块，即现有的IC电路模块的设计，在其基础上，可根据需求将多个IP模块组合起来或经修改，形成自己的新设计。当前，嵌入式片上系统的主流系列有ARM(包括Intel公司的StrongARM和XScale)、MIPS和SH等。其中，尤以ARM的应用最为典型，各半导体厂商大多可生产ARM的衍生产品。
特别要指出，RISC技术为计算机体系结构带来了一次重大的变革。简单的、固定长度的、单周期执行指令的RISC计算系统，与传统、复杂、可变长度、指令并行执行的CISC计算机系统相比较，在相同的条件下，RISC技术的速度快2～5倍，具有巨大的性价比优势。RISC技术推动着计算机体系结构从封闭的CISC向开放的结构发展。因此，世界上各大CPU芯片制造厂商争相开发生产RISC芯片，目前的典型结构为ARM系列、MIPS和SH，32位字长，最高时钟速率可达400MHz。
本文以广州友善之臂计算机科技有限公司设计生产的SBC-2410X开发板为硬件平台，该开发板采用韩国三星半导体公司的S
ARM920T是ARM920TDMI系列中的一款通用性的微处理器，ARM920TDMI系列微处理器包含如下几种类型的内核。
1．ARM9TDMI：只有内核。
2．ARM940T：由内核、高速缓存和内存保护单元组成。
3．ARM920T：由内核、高速缓存和内存管理单元（MMU）组成。
ARM9TDMI采用5级流水线其结构如图2-1所示，具有分开的指令和数据存储器，5级流水线具体如下。
1．取指：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。
2．译码：对指令进行译码。
3．执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。
4．缓冲/数据：如果需要，则访问数据存储器；否则ALU的结果只是简单地缓冲一个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。
5．回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数据。
写 存储器 执行 译码 移位/ALU 数据存 储访问 reg写 译码 reg读 取指 取指令
图2-1 ARM9TDMI流水线图
ARM9TDMI处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式，即采用了指令缓存（I-Cache）和数据缓存（D-Cache）。这样可以把指令访问和数据访问单独安排1级流水线。
ARM920T以ARM9TDMI为内核，增加了高速缓存和内存管理单元。
2.2 数控机床伺服进给系统驱动电机的选择
2.2.1 伺服电机概述
伺服一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
1．无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
2．定子绕组散热比较方便。
3．惯量小，易于提高系统的快速性。
4．适应于高速大力矩工作状态。
5．同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行的交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
2.2.2 伺服电机原理
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。
标准的伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地线及控制。电源线与地线用于提供内部的电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V~6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms~2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间。
2.2.3 伺服电动机的选择
由于交流伺服没有电刷，因而寿命长、故障少，允许的转速较高再加上直流伺服系统较复杂和价格昂贵，所以在一般工业中都采用交流伺服。
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