基于DSP的運動控制器的研究與開發(fā)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于DSP的運動控制器的研究與開發(fā)-基礎(chǔ)電子摘要:由于DSP將超強的高速實時處理能力和豐富的外設(shè)功能集于一身，目前，以DSP為的嵌入式運動控制器已經(jīng)成為開放式運動控制器的發(fā)展主流，并獲得廣泛的應用。本文通過對運動控制器基本功能的研究，在分析、消化已有的基于DSP的運動控制器硬件資源基礎(chǔ)上，開發(fā)了運動控制器的軟件系統(tǒng)，詳細介紹了運動控制器的軟件設(shè)計。

1運動控制器硬件結(jié)構(gòu)

本運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個模塊：DSP+CPLD主控模塊，包括DSP模塊和CPLD驅(qū)動與擴展模塊；通信接口模塊，包括PCI總線、USB總線和串口；I/O輸入輸出接口模塊以及外圍存儲器模塊，包括SRAM和FLASH。本運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1運動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1DSP+CPLD主控模塊

本系統(tǒng)采用了TI公司的TMS320F2812DSP為控制，這是工業(yè)界首批32位的控制專用、內(nèi)含F(xiàn)LASH以及高達150MHz主頻的數(shù)字信號處理器，專門為工業(yè)自動化、光學網(wǎng)絡(luò)及自動化控制等應用而設(shè)計的。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間；具有很強的運算能力，能夠?qū)崟r地處理許多復雜的控制算法；片上內(nèi)存豐富，可支持45個外設(shè)級中斷和3個外部中斷，提取中斷向量和保存現(xiàn)場只需9個時鐘周期，響應迅速；片上集成了多種先進的外設(shè)，包括兩個事件管理器（EV）、12位A/D、兩個串行通信接口（SCI）、一個串行外圍接口（SPI）以及一個多通道緩沖串行接口（McBSP）等；其通用輸入/輸出多路復用器（GPIO）擁有多達56個I/O口，在系統(tǒng)的軟件開發(fā)中正是利用了這些豐富的內(nèi)外設(shè)資源，才實現(xiàn)了系統(tǒng)要求的各種功能。

本系統(tǒng)中選用的CPLD是Altera公司MAX3000A系列的EPM3128，這是一款高性能、低功耗的基于EEPROM的PLD。由于本系統(tǒng)的控制對象是步進電機，所以設(shè)計中主要利用TMS320F2812的GPIO口進行電機控制接口與I/O接口的輸入輸出，但是由于TMS320F2812是低功耗處理器，其GPIO引腳的輸出驅(qū)動能力有限，而且由于DSP是主控，負載比較多，所以將所有輸出信號都經(jīng)過CPLD驅(qū)動后輸出，提高信號的驅(qū)動能力。此外，CPLD還用于系統(tǒng)電路的譯碼，增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和可擴展性。

1.2通信接口模塊

本系統(tǒng)在用作插卡式運動控制時利用PCI總線實現(xiàn)DSP與PC的通信。PCI（PeripheralComponentInterconnect外圍部件互聯(lián)）總線是Intel公司聯(lián)合其他100多家公司于1992年推出的基于新一代處理器的一種局部總線，是一種高性能32/64位數(shù)據(jù)/地址復用總線，能為CPU及外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)。PCI總線具有嚴格的規(guī)范，目前已經(jīng)發(fā)布了PCIV1.0和V2.1規(guī)范，保證了其良好的兼容性；PCI總線與CPU無關(guān)，與時鐘頻率也無關(guān)，可適用于各種平臺，支持多處理器和并發(fā)工作；PCI總線可以提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，還具有良好的擴展性。因此，PCI總線在基于計算機總線的運動控制系統(tǒng)，即“PC+運動控制器”的結(jié)構(gòu)中應用十分廣泛。

本系統(tǒng)選用CYPRESS公司的CY7C68001芯片實現(xiàn)PC機和DSP之間的USB通信。CY7C68001是通用USB2.0接口控制器，它是基于應用層編程的接口器件，相對于其它基于鏈路層編程的接口器件，使用和開發(fā)都很方便。本系統(tǒng)采用DSP片上的SCI串行通信模塊以及MAX232芯片轉(zhuǎn)換成標準RS-232的通信信號，實現(xiàn)正常的串口通信。

1.3I/O輸入輸出接口模塊

本系統(tǒng)的輸入/輸出是通過CPLD的邏輯控制來實現(xiàn)的，以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設(shè)計柔性?？紤]到運動控制器的可擴展性以及DSP的GPIO引腳的數(shù)量，共設(shè)計了16路數(shù)字量輸出通道和16路數(shù)字量輸入通道。數(shù)字量輸出通道主要用于各軸方向、脈沖信號的輸出以及一些外部設(shè)備的啟停控制，如主軸及冷卻液的開關(guān)控制等；數(shù)字量輸入通道可根據(jù)用戶具體要求來定義其用途，如作為傳感器接口，用于零點、限位信號的輸入等。為提高系統(tǒng)應用的靈活性，系統(tǒng)輸出采用了普通輸出和差分輸出兩種方式，具體使用可由用戶自行設(shè)定。

1.4外圍存儲器模塊

TMS320F2812芯片內(nèi)部包括128KB的FLASH和18KB的SARAM，其中128KB的FLASH用來存儲系統(tǒng)軟件程序已經(jīng)足夠，但是在實際使用中，考慮到運動控制指令和加工程序需要通過USB總線或PCI總線到運動控制器中，且DSP在工作過程中需要處理大量的數(shù)據(jù)，僅依靠DSP芯片內(nèi)部的存儲空間遠遠不夠，所以考慮外擴一片F(xiàn)LASH和一片SRAM作為用戶加工程序存儲器和系統(tǒng)的工作存儲器，它們通過CPLD完成與DSP之間的讀寫操作。

本系統(tǒng)選用了Intel公司的E28F128FLASH和ISSI公司的IS61LV51216SRAM。E28F128是一種采用CMOS工藝制成的8MBFLASH，其讀寫訪問時間為150ns，此讀寫周期已經(jīng)大于DSP對外部端口的讀寫周期，為了能夠和DSP的讀寫周期進行匹配，在對FLASH進行讀寫操作過程中必須插入等待周期。IS61LV51216是一種高速異步靜態(tài)512KB的SRAM，其讀寫周期為10ns，與DSP之間可以無需插入等待周期便可以進行讀寫操作，并可以直接映射到DSP外部存儲接口的Zone2或者Zone6區(qū)域。

2運動控制器軟件結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

運動控制器通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中，它的功能是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的硬件為軟件運，行提供了支撐環(huán)境，軟件負責實現(xiàn)系統(tǒng)要求的所有功能。本系統(tǒng)軟件需要完成控制和管理兩大任務(wù)，圖2表示的是其軟件功能結(jié)構(gòu)。

圖2運動控制器軟件功能結(jié)構(gòu)圖

其中，系統(tǒng)的控制包括位置控制、插補、速度處理和開關(guān)量I/O控制等，這類任務(wù)的實時性很強，所以軟件程序的優(yōu)先級也較高；系統(tǒng)的管理包括人機界面顯示、參數(shù)設(shè)置和程序等，這類任務(wù)的實時性要求不高，所以軟件程序的優(yōu)先級也相對較低。可以說，一個運動控制系統(tǒng)的基本功能均由上述功能的子程序?qū)崿F(xiàn)，通過增加子程序可進一步增加系統(tǒng)的功能。

要實現(xiàn)這些功能，必須做好運動控制器的軟件規(guī)劃，劃分各個功能模塊，才能在DSP芯片上設(shè)計運行程序。本系統(tǒng)軟件主要分為兩個層次，包括PC層軟件和DSP層軟件，其中PC層軟件在單板式運動控制中主要實現(xiàn)加工程序的傳輸和等功能；在插卡式運動控制中，除此之外，還需實現(xiàn)加工情況顯示、加工命令發(fā)送等人機交互界面的功能。運動控制器的主要功能由DSP層完成，本課題的主要任務(wù)也是DSP層軟件的程序?qū)崿F(xiàn)，具體包括：

1．運動控制運動控制功能是運動控制器的主要功能，包括位置控制、插補和輔助功能的輸入輸出I/O控制。本系統(tǒng)基本功能是實現(xiàn)XYZ三軸的運動控制，包括三軸聯(lián)動的直線插補運動和任意兩軸圓弧插補運動，可以實現(xiàn)步進電機的運動控制，提供單脈沖（即脈沖＋方向）和雙脈沖（即脈沖+脈沖）兩種控制方式。

2．速度控制速度控制即調(diào)速，利用加減速算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運動。系統(tǒng)設(shè)計空行程時的運動速度不小于100KHz，加工過程中的插補運動速度不小于40KHz；當脈沖當量為2.5微米時可達到的空行程和加工的速度分別為15m/min和6m/min。

3．通信功能運動控制器不是一個孤立封閉的系統(tǒng)，它必須和外界交換數(shù)據(jù)，主機通信主要完成兩個任務(wù)：一個是程序的，另一個是控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋。根據(jù)單板式控制和插卡式控制兩種不同的應用，分別有不同的通信方式。其中，在單板式控制中，通過USB總線進行程序而通過串口進行控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋；在插卡式控制中，兩種任務(wù)都是由PCI總線來完成。本系統(tǒng)的多用性特點主要體現(xiàn)在通信方式的不同上，支持PCI總線方式、USB總線方式以及異步串行總線方式，供用戶自由選擇。

4．參數(shù)設(shè)置作為開放式運動控制器，應該允許用戶對控制系統(tǒng)的各運動參數(shù)進行實時調(diào)整與修改。

本系統(tǒng)設(shè)計將各參數(shù)存放在FLASH中，允許用戶通過人機界面對參數(shù)進行修改，修改后的參數(shù)將在下次操作中起作用。

2.2系統(tǒng)軟件層次設(shè)計

DSP軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計思路，為使結(jié)構(gòu)清晰，整個系統(tǒng)軟件按功能群分割為多個文件分別處理和完成相應的任務(wù)，主要分為三個層次：

1主控層：不涉及具體操作，只負責各個任務(wù)調(diào)度、中斷安排、時間和優(yōu)先級處理等，主控層只有一個文件main.c，包括主函數(shù)和中斷函數(shù)，在主函數(shù)和中斷函數(shù)中調(diào)用算法層的函數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能。

2算法層：負責具體任務(wù)執(zhí)行，控制算法實現(xiàn)，系統(tǒng)的主要功能都在算法層實現(xiàn)，包含的模塊由系統(tǒng)要求的各個功能來決定，算法層主要用以實現(xiàn)運動控制、速度控制和系統(tǒng)管理等功能，各模塊之間通過標志位來聯(lián)系，不互相調(diào)用。

3接口層：負責與硬件的接口，所有與外設(shè)有關(guān)的操作都在該層進行處理，接口層中包括DSP硬件資源的定義、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動等。除接口層外，系統(tǒng)其它層的程序禁止直接對外設(shè)進行操作，接口層直接對外設(shè)進行操作的函數(shù)盡可能做到功能完善。綜上所述，本系統(tǒng)根據(jù)以上功能和層次進行軟件設(shè)計并遵循以下原則：

（1）全局性：盡量保證系統(tǒng)各模塊負載均衡；

（2）正確性：數(shù)學推導嚴密，盡可能利用試驗驗證；

（3）結(jié)構(gòu)化：軟件設(shè)計做到層次化、模塊化、封裝化；

（4）規(guī)范性：保證程序的易讀性、移植性和可維護性。

3小結(jié):

本文作者創(chuàng)新點是運動控制是數(shù)控技術(shù)的，近年來，隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，開放式運動控制器也得到了前所未有的發(fā)展。運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類標準部件，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并形成了令人矚目的市場規(guī)模。本文介紹了運動控制器的總體設(shè)計方案，包括運動控制器的硬件平臺以及軟件設(shè)計思路。

參考文獻:

[1].PCIdatasheet/datasheet/PCI+_1202269.html.[2].TMS320F2812datasheet/datasheet/TMS320F2812+_1116432.html.[3].MAX3000Adatasheet/datasheet/MAX3000A+_1015794.html.[4].PCdatasheet/datasheet/PC+_2043275.html.[5].CY7C68001datashee