基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

２００７年５月第１４卷第３期控Ｃｏｎｔｒｏｌ程Ｅｎ舀ｎ嘲ｉ１１９ｏｆＣＩｌｉ腿制工Ｍａｙ２００７Ｖ０１．１４．Ｎ０．３文章編號(hào)：１６７１－７８４８（２００ｒ７）０３－０２６０．０３基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)李倫波，馬廣富，趙建亞，（哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系，．黑龍江哈爾濱１５０００１）摘要：針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和要求，通過(guò)對(duì)ｎ公司新推出的ＤｓＰ芯片ｎ螂２０麟１２和ＡＩ胍強(qiáng)Ａ公司的Ｆ１ＰＩ強(qiáng)芯片ＥＰｌＩ∞功能和特點(diǎn)的深入分析，給出了一種基于ＤＳＰ和ＦＰｃＡ的取代單片機(jī)，能夠更好地滿足數(shù)控系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制單元的實(shí)時(shí)性和控制精度的苛刻要求。某型號(hào)三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)已采用該運(yùn)動(dòng)控制卡作為主控制電路，并能很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度。轉(zhuǎn)速等性能指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；運(yùn)動(dòng)控制卡中圖分類號(hào)：’ＩＭ５１７文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在充分考慮上述芯片特點(diǎn)和資源的基礎(chǔ)上，該卡采用ＤｓＰ和黝ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＢｏａｒｄＢａｓｅｄｏｎＤＳＰａｎｄＦＰＧＡ（Ｄｅｐａｒｈｎ哪ｔａｆｃ０曲ｃｄＳｃｉ鋤∞脅ｄＥ玎ｇｉＩ地耐ｌｌｇ，｝ｈｂｉｌｌｈ面ｈｌｔｅ０ｆＴｅｄＩＩ毗唧，｝ｈｂｉＩｌＡｂ醴ｌ翟ｃｔ：Ｔｂ口厶盼６Ｄ，心白口ｎ妒血，Ｚ珊０脅咖弘０ｆｔ｝ｌｅｌ跏０１，ａｌｉ聃）嘲２０麟１２，ａｎｄＦⅨ逾ｃｈｊｐｄ朗ｉ印瓢岫ＤＳＰｍｅＨｂｔｈｅａｎｄｔｌ把ｄ碥ｍｃｔｅｒ?。椋福叮悖蟆爸萁字簦拢牛校欤耍常埃簦欤欤澹岫髤危纾炷?。ａＩｌｄｂａ８ｅｄ帥ａｎａｌｙ五ｎｇ山ｅｆ‰ｄｏｎｓａｎｄ嘶ｔｓ０ｆＩ）ｓｐｃｈｉｐｄ鶴ｉ?。幔欤欤涞A(chǔ)ｉｚａｔｉ∞０ｆｍ口ｖ鯽ｅｍｃ０疵Ｉｂｏａｒｄｂａｓｅｄ∞ＤＳＰ８ＩｌｄＦⅨ造ａ糟ｐ玎杈Ｉｍｅｄ．１ｋＦＰｌ強(qiáng)ｔｏ陀ｐｌａｃｅｍｉｃＩｏ∞塒瑚ＩＵｅｆ山耐ｅｒｏｆⅡ１０６∞ａｍｔ由ｌ∞ｐ】［ｅｃｉｓｉ∞鯽ｄｌ－ｆ粗．ｔｉｒｒ虻ａｂｉｌｉｔｙ．Ａｏ既協(xié)ｔ｝ｌ舯ａｘｉ８ｂ噙ｍ，ａＩｌｄｆ皿ｃｍ斌ｒａｔｉ明ｓ０ｆ幽ｅｉｒ斑ｓｃ咖【ｃｅｓａｌｌｄ吲ｔｓ，ａｎｄ鋤ｂ蝴如Ⅱｍｔｈｅ弛ｑｕｉｌ℃．８ｉＩ】虬幽伽ｎｌｍｔａｂｌｅｈａｓａｄｃ唯，ｔｅｄｐ曬ｉｔｉ伽，ｗｊ婦ｔｙ，ｅ毛ｃ．ｔＩ倫ｎｌｏ、ｒｅｎ七ｎｔｃ【ｍｈＤｌｍ血ｃｃ噬咖ｌｐ如Ⅱｙ弛ａｌｉｚｅｄ￡ＩｌｅＲ：ｑ｜匠ｒ黜ｎ嵋ｏｎｂｏａｒｄｂｏａＩｄ鷦ｍｅｐ∞ｃｉ８ｉｏｎｏｆＫ眄ｗｏｒ凼：ＣＮＣ；ＤＳＰ；即ＧＡ；ｍｏｖｅＩＩ烈吐ｃ０加Ｄ０１１引言２系統(tǒng)概述系統(tǒng)的功能框圖如圖ｌ所示。隨著開放式數(shù)控技術(shù)的日益發(fā)展，開放式數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，運(yùn)動(dòng)控制卡是數(shù)控系統(tǒng)的核心單元模塊，數(shù)控系統(tǒng)的性能、精度一定程度上依賴于運(yùn)動(dòng)控制卡的高速數(shù)據(jù)處理能力和控制能力【１０】。運(yùn)動(dòng)控制卡在基于ＰＣ的數(shù)控系統(tǒng)中完成電機(jī)的位置和速度的實(shí)時(shí)控制，從而將主機(jī)從繁重的運(yùn)動(dòng)控制中解放出來(lái)，使其在其他方面發(fā)揮更大的作用∞’４Ｊ。基于單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡由于受到單片機(jī)自身的限制，其控制精度、控制軸數(shù)和控制周期等都受到限制，因此這類控制卡不適用于高精度、實(shí)時(shí)性要求苛刻的運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。數(shù)字信號(hào)處理器ＤＳＰ采用多組總線的哈佛結(jié)構(gòu)、多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)等，特別適合數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。本文設(shè)計(jì)了一種基于１Ｍｓ３２０磁８１２數(shù)字信號(hào)處理器№．１ｎｍｃｔｉ刪ｍ蚍拙卿０ｆｔｂｅｍ嘣嘰伽劬ｒ０Ｉ涮ｎ塢３２０Ｆ２８１２和ＡＩ胍ＲＡ公司的兩片圖ｌ系統(tǒng)功能框圖該系統(tǒng)的核心芯片是１ｆＩ公司Ｃ２０００系列的３２位定點(diǎn)ＤｓＰ和黜的運(yùn)動(dòng)控制卡，所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制卡已用夠很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的精度、速度等性能指標(biāo)。收稿日期：２００鯽３．１４；收修定稿日期：２００鯽啦１９量翻強(qiáng)芯片ＥＰｌ硒Ｏ、一片ＣＰＬＤ芯片姍２５６。與ＩＳＡ總線相接的眥片內(nèi)設(shè)計(jì)了１６×１６位的雙口于某型號(hào)的三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)試結(jié)果表明，該卡能ｍ蝴，用來(lái)完成ＰＣ與ＤｓＰ間的數(shù)據(jù)交換。與角度編碼器相接的ＦＰ（趣片內(nèi)設(shè)計(jì)了三軸角度編碼器的作者簡(jiǎn)介：李倫波（１９７７．），男，江蘇灌南人，博士，主要研究方向?yàn)閼T性導(dǎo)航與非線性濾波等；馬廣富（１９６３．），男，河北唐山人，教授，博士生導(dǎo)師。萬(wàn)方數(shù)據(jù)第３期李倫波等：基于ＤＳＰ和ｎ）ＧＡ的運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?２６ｌ?信號(hào)后續(xù)處理電路，該角度編碼器選用德國(guó)皿Ｉ一姍Ａ礬公司的絕對(duì)式角度編碼器ＲＣＮ２２６，它帶有ＥｎＤａｔ２．１雙向串行接口。ｃＰｕＤ完成三軸驅(qū)動(dòng)器接口邏輯處理和１６路開關(guān)量輸入，輸出等。ＤｓＰ則完成系統(tǒng)位置、速度控制和插補(bǔ)算法等。３ＤｓＰ及其外設(shè)接口模塊設(shè)計(jì)，ＩＭＳ３２０麟１２是１ｒＩ公司新推出基于，ＩＭＳ３２０Ｃ２８＜瑚內(nèi)核的高性能３２位定點(diǎn)ＤｓＰ。它采用高性能靜態(tài)ＣＭｏＳ工藝，支持Ｊｗ屺邊界掃描，最高主頻為１５０ＭＨｚ，內(nèi)核１．８—１．９Ｖ供電，低功耗，具有三個(gè)外部中斷，片內(nèi)閃存多達(dá)１２８Ｋ×１６ｂｉｔ，鼬Ⅲ為１８Ｋ×１６ｂｉｔ，擁有兩個(gè)事件管理器用定時(shí)器，８?jìng)€(gè)刪通道，三個(gè)捕獲單元。片上（肌～和ＥｖＢ），每個(gè)事件管理模塊有兩個(gè)１６位通還集成兩個(gè)１２位８通道ⅣＤ轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換速度達(dá)１２．５ＭｓＰｓ；有ＳＣＩ，ＳＨ，ｅＣＡＮ，ＭｃＢｓＰ外設(shè)接口。另外，這款ＤＳＰ對(duì)Ｃ／Ｃ＋＋語(yǔ)言的支持非常好，使ｃ的編譯效率達(dá)到近９０％，這樣使得用戶軟件開發(fā)變得非常容易，而且效率高。在本運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)中，利用ＤｓＰ片上外設(shè)接接口的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器。多協(xié)議芯片采用Ｍ刪公司口ｓＣＩ，ＳＰｌ分別擴(kuò)展的兩路多協(xié)議異步串口和ＳＰＩ的憫１６０，只需適當(dāng)?shù)脑O(shè)置即可使其工作在賂２３２或Ｒｓ—４８５／４２２接口方式下。這樣使得該異步串口可應(yīng)用在不同的工作場(chǎng)合。利用片上ｓｎ外設(shè)接口通過(guò)光電隔離與串行Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器ＤＡＣ７７１４相接，可輸出４路±１０Ｖ模擬電壓。ｓＰＩ接口工作在主方式下，由ｓＰＩｃｕ（，ｓＰＩｓｍＯ分別提供Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。Ｆ２８１２本身自帶兩個(gè)１２位ＡＤ模塊，每個(gè)模塊為８通道，其速度快、精度高，可直接外接模擬電壓，擴(kuò)展出該模擬接口可方便應(yīng)用在通過(guò)模擬電壓來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。４黜模塊電路設(shè)計(jì)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及各個(gè)功能的模塊化，采用兩片即ＧＡＥＰｌｌ（３０來(lái)分別設(shè)計(jì)ＤＳＰ與ｂＡ總線間的接口電路和三軸角度編碼器的信號(hào)后續(xù)處理電路。ＥＰｌＫ３０是ＡＩ胍ＲＡ公司推出的低成本ＦＰ—ＧＡＡｃＥ）【系列中一款，它的主要特點(diǎn)有包括片內(nèi)有鎖相環(huán)、ｍ螄塊，Ｉ，Ｏ口可與２．５Ｖ，３．３Ｖ，５Ｖ器件直接相連。這就為不同電平間的接口電路設(shè)計(jì)提供了方便，省去了電平轉(zhuǎn)換緩沖器。１）ＤＳＰ與融總線間接口電路麟１２的Ｉ，Ｏ接口電平是３．３Ｖ的，而工控機(jī)ＩＳＡ總線為５ＶＴＩＬ電平，這兩者間不能直接相接。常見的做法是用雙口ｍｍ、電平轉(zhuǎn)換緩沖器、ＣＰＵＤ來(lái)設(shè)計(jì)該接口電萬(wàn)方數(shù)據(jù)路。這種方案不僅成本較高，而且也不利于硬制電路板的布線。本運(yùn)動(dòng)控制卡采用端口電平兼容３．３Ｖ和５Ｖ的ＦＰＧＡＥＰｌ硒０來(lái)設(shè)計(jì)該接口電路，片內(nèi)設(shè)計(jì)的邏輯有３２×１６位的雙口ｍｗ和一些讀、寫操作和中斷信號(hào)的控制邏輯。該接口可以大量高效地傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)ＤｓＰ與Ｐｃ問(wèn)的通訊。ＤｓＰ響應(yīng)Ｐｃ機(jī)的中斷請(qǐng)求，從雙口ｍｗ中讀取工作模式指令和運(yùn)動(dòng)控制指令，然后進(jìn)行快速地插補(bǔ)運(yùn)算、速度控制和位置控制；在運(yùn)動(dòng)控制中，ＤＳＰ隔一定的周期向Ｐｃ發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)，以便工控機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。２）角度編碼器后續(xù)接口電路設(shè)計(jì)角度編碼器選用德國(guó)ｍ￡ⅢＥＮＨＡ礬公司的２６位絕對(duì)式角度編碼器ＲＣＮ２２６，它帶有Ｅｒ血記．１雙向串行接口。Ｅ１１Ｄａｔ接口是ｍ￡Ⅲ咖Ａ斟公司開發(fā)的，主要優(yōu)點(diǎn)包括適合于所有的絕對(duì)式編碼器；降低了線路成本，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用只需６根線；系統(tǒng)的安全性高，后續(xù)的電子設(shè)備可得到報(bào)警信息進(jìn)行監(jiān)控和診斷，不需要額外的電路；采用與編碼器分辨率相適應(yīng)的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)和高的時(shí)鐘頻率，ＥＩｌＤａｔ２．１最高通訊時(shí)鐘為２ＭＨｚ，刪．２為８Ｍ№；運(yùn)用循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，來(lái)提高傳輸可靠性。本運(yùn)動(dòng)控制卡可以控制三軸電機(jī)，有３個(gè)絕對(duì)式角度編碼器ＲＣＮ２２６用一片Ｆ１ＰＧＡ來(lái)設(shè)計(jì)３個(gè)角度編碼器的后續(xù)接口電路。用戶可根據(jù)具體型號(hào)的編碼器來(lái)選擇分辨率和設(shè)定時(shí)鐘頻率，使得該電路具有很強(qiáng)的通用性。一路角度編碼器的后續(xù)電路內(nèi)部邏輯框圖，如圖２所示。而ｉ盯。晦陸啡ｃｉ高Ｆ三研撼?。椋弧恚豺恤逗鳎爝停眨埃洹叮埃妫簦瑁鍒D２Ｅ刪．１后續(xù)接口電路內(nèi)部邏輯框圖ｄ礎(chǔ)衙ＥＤ嗽．１如恤—鈿?。常酰膺篝瑘D中，Ｃｌｌ【ＩｒＩ為輸入時(shí)鐘；Ｃ心Ｄｕｔ為角度編碼器移位的時(shí)鐘信號(hào)；Ｄ砒Ｔｍ為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；Ｄ甜ｋ為數(shù)據(jù)接收引腳；其他的信號(hào)為與外部總線相接的控制信號(hào)線和地址、數(shù)據(jù)線。單個(gè)角度編碼器工作在讀取絕對(duì)位置值的模式下，仿真圖如圖３所示。?２６２?控制工程第１４卷№．３‰Ｉｌｌａ婦鼬岬０ｆ恤劬刪Ｉ刪由礎(chǔ)鈿腳凇．１岫圖３ｈＩＤ８心．１后纓接口電路仿真圖圖中，信號(hào)ｃｌｋｈｌ為２４Ｍ也輸入時(shí)鐘；信號(hào)ＲｓＴ為編碼器后續(xù)電路復(fù)位信號(hào)，低電平有效；信ＤＴｉｖｅｒＥｎ—Ａ為數(shù)據(jù)收發(fā)控制信號(hào)，高電平時(shí)允許芝．ｃ鑒脅一然萎黧彗Ｉ輩要霎二堡妻６結(jié)語(yǔ)”個(gè)，這樣就需要采用中斷復(fù)用技術(shù)；在ＣＰＩＤ也設(shè)計(jì)了相關(guān)的邏輯電路，邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，不再詳述。州恫向角度編碼器發(fā)送指令，低電平時(shí)可以從角度編碼器讀取數(shù)據(jù)；信號(hào)ＤａｔＲｅｃ—Ａ，Ｄ堋№一Ａ分別為串行的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)線；信號(hào)Ｄａｔｈｔ為片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖基于醚總線，配以數(shù)據(jù)處理能力、邏輯控制能力強(qiáng)大的ＤｓＰＪＩＭｓ３２０Ｆ２８１２和邏輯處理能力高效存信號(hào)；姍為角度編碼器后續(xù)電路提供的中斷信號(hào)，低電平有效；寄存器Ｌｏｗｏｒｄ，Ｈｉｗ砌分別為絕對(duì)位置值的低字和高字；信號(hào)Ａ，Ｄ分別為地址的眥組成的運(yùn)動(dòng)控制卡，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中能夠發(fā)揮出強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能。隨著數(shù)控系統(tǒng)的普及和產(chǎn)品檔次的提高，這種運(yùn)動(dòng)控制卡將會(huì)有廣總線和數(shù)據(jù)總線；Ｃｓ，ＲＤ，ＷＲ分別為片選信號(hào)和讀、寫控制信號(hào)。編碼的后續(xù)電路，設(shè)置編碼器收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻。一孽壁急星爸，孽怨翌竺曼堡哆：，蘿當(dāng)摹竺魯譬參考文獻(xiàn)（№）：’。泛的應(yīng)用前景。所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制卡已用于某型號(hào)的三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，調(diào)試結(jié)果表明，該運(yùn)動(dòng)控制卡能夠很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的精度、速度等性能指標(biāo)。。蘭；釜重要仝塑璺堂簍苧指竺，、。茭寞翌鬯．部毫翌ｎ器；最后通過(guò)中斷或查詢方式來(lái)讀取位置值。編碼器的其他工作謦式與此相仿。３鬟器要要鑫薷蕃黜篇囂霆囂煮各囂鎣篙尚二．爵二二ｉ二淼二。孟：矗ｉｉ赫譎ｕ＝瓷苫５㈣模塊電撇計(jì)輯電路主要完成外擴(kuò)端口的地址譯碼、讀／寫邏輯黼豁粼黜豎黜ｃＰＬＤ選用ＡＩＩ唧Ａ公司的ＥＰＭ７２５６，內(nèi)部邏?mèng)膰L恩ｌ篙％艫ｍ”嘶㈣婦ａｎｄ蛐ｈ［３］李愷，董景新，趙長(zhǎng)德．基于Ｄ即和ｃ眥ｌ的數(shù)字化轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系［２］；喜享勰器戔鬈茅篙囂瑞篙茗莖禹耋熬萎器瞬品：控制。外擴(kuò)的端口包括１６路隔離Ｉ／ｏ口、３個(gè)交流篙譬：勰２甍冀警羹誓登’竺盤鑒：囂０竺伺服驅(qū)動(dòng)器的隔離數(shù)字接口、２路多協(xié)議異步串口ｇｙ柵ｂａｓｅｄｍＤｓＰ越ｌｄ㈣ｈ呲［Ｊ］．Ｊ汕血《ａｌｉ－峨ｈＩ．的配置口、Ｄ／Ａ和角度編碼器復(fù)位邏輯控制口。另加上與工控機(jī)通訊的中斷信號(hào)，本系統(tǒng)共有４個(gè)外：揣焉盞巴藝惹黜鼉＝僦蒜外，當(dāng)采用中斷方式讀?。陈肪幋a器的轉(zhuǎn)換值時(shí)，［４］然譬㈣丟箍魯嚳器丟臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的研究與謄現(xiàn)唧ｊ，中警性技杏學(xué)警，猁：１３（３）：７郵．（Ｊｉ７５．）ｗ西，ｕＱｉ，部中斷信號(hào)，而，ＩＭｓ３２０Ｆ２８１２外部中斷引腳只有３下期要目空間機(jī)械臂在線實(shí)時(shí)避障路徑規(guī)劃研究…………陳靖波。趙敏基于在線聚類的模糊建模方法及其應(yīng)用研究……………………林雷，趙紫輝汽輪發(fā)電機(jī)組在線檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)…………………薛必翠二能量級(jí)量子系統(tǒng)的構(gòu)造控制穩(wěn)定性研究……………葉賓，孔曉紅，須文波Ｐｉ靜姒網(wǎng)絡(luò)在煙廠智能照明系統(tǒng)中的應(yīng)用……………………錢曉龍，路萬(wàn)方數(shù)據(jù)陽(yáng)基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次數(shù)：李倫波，馬廣富，趙建亞，LILun-bo，MAGuang-fu，ZHAOJian-ya哈爾濱工業(yè)大學(xué),控制科學(xué)與工程系,黑龍江,哈爾濱,150001控制工程CONTROLENGINEERINGOFCHINA2007,14(31次參考文獻(xiàn)(4條1.姬偉;李奇;楊海峰四軸穩(wěn)定跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制