基于SOPC的简易运动控制芯片方案

摘要： SM1000是一个高性价比的运动控制芯片级方案，也是SOPC解决方案，它提供长达32位的可编程计数和脉冲发生的功能，简易而又方便于客户应用，面向更广泛、更一般的运动控制应用领域。
关键词： 运动控制   可编程计数和脉冲发生   SOPC 

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。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的困难。
用户们常常需要一种容易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，经过不断的技术累积和市场调查后，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
 输入时钟CLK频率最高到78MHz。
 1-4道32位计数器，可达计数范围为：1~ 2147483647。
 1-4道32位直接脉冲分频器，可设置频率系数范围为：1~ 2147483647。
 1-4道正/反向脉冲输出，可接成差分输出。
 1-4道正/反向脉冲输出有效指示，可接成差分输出。
 最高输出脉冲频率为：CLK/64（SM1001不同）
 其他功能：
 内置3-8译码器，输出7个附加片选信号；
 8通用输入+8通用输出；
 可接8X8矩阵键盘，直接读取按键编码/有效值；
 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

四、功能引脚介绍

五、应用方向举例
 步进马达控制器
 轻纺设备：缝纫机/绣花机等
 机器手/臂
 空间座标测量/定位系统
 经济型通用运动控制器
 钻孔、铣边设备
 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，以共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：
 8根地址/数据总线：AD0~7
 3根片选线：CS1~3
 1根地址锁存允许线：ALE
 1根读允许线：RD_n
 1根写允许线：WR_n
输出7根片选线，地址划分见《表二：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8bit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8bit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2147483648。
           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8bit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/2^28)*脉冲频率值；
当脉冲频率值≥0x00800000 时：
                   脉冲频率=(输入时钟频率/（2^36+2^28）*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/2^25)*脉冲频率值；
当脉冲频率值≥0x00400000 时：
                   脉冲频率=(输入时钟频率/（2^33+2^25）*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：
 脉冲计数器值：32bit；
 通用输入口值：8bit；
 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，可参见地址分配表一。

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<n ; 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) | ((F1<<1)&2) | ((F2<<2)&4 | ((F3<<3)&8) ;

//5、停止多个通道脉冲工作
MC_Stop_WR_Base_Addr[0] = (F0 & 1) | ((F1<<1)&2) | ((F2<<2)&4 | ((F3<<3)&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

在上述的方案里，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。

英文标题：:
The Simple Motion-Control  IC Solution Based on SOPC

参考文献：
无

作者简介：
於凤兵  男，   资深工程师     从事集成电路技术及业务多年，现任深圳市斯迈迪科技发展有限公司总经理。
胡军舰  男，  资深高级工程师    从事集成电路技术及信号处理技术多年，现任深圳市斯迈迪科技发展有限公司技术总监。

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