基于I²C和双ARM的PCB钻床控制器设计
1.引言
印刷电路板钻床是印刷电路板生产中的重要装备，随着电子产品加工要求的提高，低档的基于单片机的PCB 钻床控制器已经很难满足要求。ARM7TDMI 是20 世纪末ARM 公司提出的一种32 位的RISC 微控制器结构, 基于该内核的芯片种类丰富，具有运行速度高，功耗小和价格低的特点。本文介绍了一种基于双ARM 结构的PCB 钻床控制器，它既解决传统低档钻床控制系统性能不高的缺点，同时又具有很高的经济性，是高档PCB 钻床理想的控制器。
数控系统按结构分，一般有单 CPU 和多CPU 之分[5]。单CPU 一般采用集中控制分时处理的方式完成数控系统的各项任务。它具有结构紧凑的特点，但是功能相对比较简单。多CPU 结构的数控系统采用多CPU 并行处理，可以使系统达到更高的性能。多CPU 一般采用共享总线或共享存储器方式进行通信。钻床控制器的控制对象比较复杂：需要控制4套松下MINAS交流伺服系统，4个主轴电机以及9路开关量输入，11路继电器输出。如果控制器采用单CPU结构，控制器需要扩展较多硬件，增加系统成本，降低了系统可靠性；如果控制器采用双CPU结构，控制器可以根据功能进行分层设计：将信息处理量大的人机交互系统任务交由一个CPU负责，而机床运动控制交由另一个CPU来处理。这样减少了外扩硬件的数量，降低了成本，提高了可靠性。具体是指：控制器用三星公司生产的S3C44B0X作为人机交互系统的CPU，用飞利浦公司生产的LPC2214作为机床运动控制系统的CPU。
2.控制器的硬件设计
控制器由系统板和接口板组成：系统板是由LPC2214 和S3C44B0X 及其相关外围电路构成的，是控制器的核心；接口电路板主要负责系统板和机床电器之间的驱动，电平匹配。系统的硬件结构参考图1。
图1 控制器硬件结构图
2.1 控制器系统板硬件设计
控制器系统板由两个子系统组成：人机交互系统和机床运动控制系统。人机交互系统和机床运动控制系统通过I²C 总线进行数据交换。I²C 总线是飞利浦公司提出的串行总线，具有速度较高，硬件连接十分简单，无需增加硬件的特点。
2.1.1 控制器人机交互系统的硬件设计
控制器人机交互系统采用 S3C44B0X 为核心,扩展一系列硬件，构成一个具有完善的人机交互功能的系统。系统扩展了一片具有16 位数据宽度,2MB 的存储空间的NOR 型Flash 存储器芯片SST39VF1601 作为系统程序存储器。为了提高系统程序的执行速度，我们扩展了一片1M*4Bank*16I/O 的HY57V641620 型SDRAM。系统一上电，系统初始化程序就把SST39VF1601 中存储的系统程序拷贝到HY57V641620 中，同时，系统程序的数据存储区也在HY57V641620 中，这样系统程序可以完全在SDRAM 中运行。为了保证机床钻孔文件在机床停电后仍然能够保存，系统扩展了一片16MB NandFlash 芯片K9F2808 作为系统的电子硬盘。由于S3C44B0X 自带液晶显示控制器，所以系统选用三菱公司生产的不带液晶显示控制器的STN 型256 色640x480 像素的EDMGRB8KHF 液晶显示模块作为机床信息的输出。系统操作信息的输入采用PS/2 键盘。系统通过RS232 串口从PC 机上下载钻孔文件。为了方便系统调试程序，人机交互系统设计了一个JTAG 口。
机床的一些重要的参数例如像机床进给轴丝杠的螺距，交流伺服系统的脉冲当量等数据需要永久保存，所以系统扩展了一片512B 的基于I²C 总线的EEPROM 芯片AT24C04 。机床人机交互系统电路结构如图1 控制器系统板中以S3C44B0X 为中心的硬件结构。
2.1.2 机床运动控制系统硬件设计
机床运动控制系统的核心是 LPC2214 微控制器。LPC2214 内部自带256KB 的flash存储器和16KB 的SRAM，无需外扩程序存储器和数据存储器。系统设计了一个RS232串口，用于LPC2214 系统程序的ISP 下载。为了便于调试程序，运动控制系统设计了一个JTAG 口。机床运动控制系统电路结构如图1 控制器系统板中以LPC2214 为中心的硬件结构。机床电器都通过接口电路直接与LPC2214 相连。其引脚分配如下所示：
2.1.3 人机交互系统和机床运动控制系统的通信
数控系统的加工指令经过S3C44B0X 的处理后要传给LPC2214 进行执行，而LPC2214执行的结果要返回给S3C44B0X 进行处理和显示。系统采用I²C 总线进行通信。S3C44B0X工作在主器件模式，而AT24C04 和LPC2214 工作在从模式。AT24C04 的从地址是0xa0,LPC2214 的从地址是0x50，I²C 的速率
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