如何設(shè)計一個基于FPGA技術(shù)和DSP技術(shù)的運動控制卡

如何設(shè)計一個基于FPGA技術(shù)和DSP技術(shù)的運動控制卡？一、引言使用激光雕刻和切割，過程非常簡單，如同使用電腦和打印機(jī)在紙張上打印。您可以在Win98/Win2000/WinXP環(huán)境下利用多種圖形處理軟件，如CorelDraw等進(jìn)行設(shè)計，掃描的圖形，矢量化的圖文及多種CAD文件都可輕松地“打印”到雕刻機(jī)中。唯一的不同之處是，打印將墨粉涂到紙張上，而激光雕刻是將激光射到木制品、亞克粒、塑料板、金屬板、石材等幾乎所有的材料之上。體現(xiàn)激光材料加工的發(fā)展水平有三個方面的因素：第一是激光器技術(shù)，即應(yīng)用于激光材料加工的激光器件技術(shù)；第二是激光設(shè)備加工的機(jī)械、控制系統(tǒng)等，即激光加工設(shè)備；第三是激光加工工藝水平。目前，國內(nèi)專門生產(chǎn)激光雕刻設(shè)備的廠家很多，他們競爭已由激光器技術(shù)轉(zhuǎn)向?qū)す庠O(shè)備和加工工藝的有效控制，能否有效解決如下問題：三維圖形多軸聯(lián)動、高速激光掃描和快速推進(jìn)引起的振動、掃描幅面大小和掃描精度、激光的同步掃描和往復(fù)掃描錯位、復(fù)雜算法和規(guī)則圖形插補問題等，已經(jīng)成為競爭的關(guān)鍵。二、基于DSP和FPGA的設(shè)計針對上述各種問題，結(jié)合多年運動控制的經(jīng)驗，我們設(shè)計了基于資源豐富的FPGA和功能強(qiáng)大的DSP的運動控制卡——MPC03，在激光雕刻調(diào)試中，成功的解決了上述各種問題。1、MPC03卡簡介⑴DSP從主機(jī)接收運動指令或運動指令塊，并把從主機(jī)讀取的大量圖形數(shù)據(jù)實時的寫入FPGA的RAM區(qū)，并向主機(jī)發(fā)送運行狀態(tài)：位置、I/O狀態(tài)等；⑵FPGA芯片根據(jù)接收的指令，完成多軸電機(jī)的運動控制（二維圖形為兩軸，三維圖形為三軸）：位置、速度、插補、PID調(diào)節(jié)等；⑶在運動過程中，F(xiàn)PGA同步讀取RAM區(qū)的圖形數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的‘0’或‘1’狀態(tài)，實時地決定是否開關(guān)光，而且并行處理與運動有關(guān)的外部I/O信號和通用I/O信號。⑷MPC03卡性能指標(biāo)如下：最高脈沖輸出頻率FH：15MHz脈沖輸出頻率范圍F：0.002～15，000，000Hz最小分辨率Mmin：0.002脈沖頻率設(shè)置步長R：1～8191定位脈沖數(shù)范圍R0：0～4，294，967，295自動降速點設(shè)置范圍R6：0～4，294，967，295增減計數(shù)器設(shè)置范圍R10：0～4，294，967，2952.MPC03卡設(shè)計和功能實現(xiàn)⑴硬件電路設(shè)計在MPC03卡中主要有DSP、FPGA兩個功能芯片，在DSP周圍擴(kuò)展了多個FLASH和SRAM來存儲程序和數(shù)據(jù)，每兩個FLASH和SRAM可以共用一個片選信號CS，組成高低雙字32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀寫，可以提高DSP與MEMORY的通信速度，同時為FPGA配置了一個EPROM來存儲下載的程序。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低電壓操作，I/O信號電壓是3.3V，而內(nèi)核電壓是1.8V，所以配置了能同時輸出3.3V和1.8V兩種電壓的電壓調(diào)整器。請參照MPC03卡邏輯結(jié)構(gòu)圖。FPGA資源充足，性價比高，能現(xiàn)場重復(fù)多次編程，可以針對不同的小批量客戶的具體要求，靈活地修改設(shè)計。USB接口可實現(xiàn)脫機(jī)工作，不必為每塊卡配置一臺PC機(jī)，工業(yè)現(xiàn)場使用方便，成本低，符合時代發(fā)展趨勢。⑵解決問題的方案由于本方案確定得當(dāng)，在每一片F(xiàn)PGA芯片上可以實現(xiàn)四軸功能完全相同但彼此相互獨立的操作，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動，對于平面圖形和三維圖形處理，可以采用兩軸和三軸聯(lián)動即可。在高速往返運動和快速行推進(jìn)過程中，如果不加技術(shù)處理，如梯形圖所示，在加速度很大的高速運動過程中，就會出現(xiàn)振動、沖擊，圖形就會出現(xiàn)不規(guī)則的錯位，嚴(yán)重時就會出現(xiàn)類似波紋狀的變形。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)的實驗，在同一設(shè)備上，可以大大的提高工作效率和圖形的加工質(zhì)量。為了存儲大量的掃描數(shù)據(jù)和達(dá)到同步掃描的目的，我們巧妙地利用了FPGA內(nèi)置的2MBit塊RAM資源來存儲每行的圖象數(shù)據(jù)。在本設(shè)計中，我們開辟了9根地址線尋址的32Bit數(shù)據(jù)總線接口的RAM區(qū)，即16KBit。如果每個掃描象素為0.1mm，按最高的掃描精度，則理論上掃描幅面可以達(dá)到1.6m。掃描從低位地址向高位地址，從每行的低位向高位依次進(jìn)行。因為DSP每次向FPGA的RAM區(qū)寫入一行圖形數(shù)據(jù)512×32Bit，所以在對這些16KBit數(shù)據(jù)處理期間，DSP不需再向FPGA寫數(shù)據(jù)。不僅大大提高了激光設(shè)備的工作效率，而且也保證了掃描的同步性，對于往復(fù)掃描出現(xiàn)的整體錯位，在軟件上進(jìn)行反向補償也提供了可行性。在同步掃描時，為了提高掃描精度，改善圖像質(zhì)量，我們增加了8位激光控制寄存器LCR，通過設(shè)置LCR的大?。?～255），來達(dá)到提高掃描精度的目的，請看如下分析：位圖像素控制激光開關(guān)存在的問題舉例分析：假設(shè)位圖數(shù)據(jù)為1010，光斑直徑為Ф0.1mm，單像素脈沖數(shù)5，則步進(jìn)脈沖和激光掃描如下：從上面圖形分析可以看出：如果完全根據(jù)位圖像素控制，激光脈沖寬度為單像素脈沖數(shù)決定的寬度；由于激光光斑直徑的存在，理論上在開激光點的位置會出現(xiàn)“過切”現(xiàn)象，即像素為‘1’的點會吃掉下一個像素為‘0’的點。激光開、關(guān)延遲的影響：（1）。如果激光開延遲、關(guān)延遲相等，實際雕刻的圖形將平移；（2）。如果激光開延遲》關(guān)延遲（開光慢、關(guān)光快），“過切”會減??；（3）。如果激光開延遲《關(guān)延遲（開光快、關(guān)光慢），“過切”會增大；激光脈沖寬度的控制為了減小或消除以上“過切”現(xiàn)象，在位圖像素為‘1’時，應(yīng)發(fā)出一個盡可能短的激光脈沖。這個激光脈沖寬度由激光驅(qū)動電源和激光管的開、關(guān)特性決定。這樣激光脈沖寬度就可以調(diào)節(jié)，而不是單像素脈沖數(shù)的寬度。這樣，通過控制激光脈沖寬度，在像素為‘1’時發(fā)出一個激光點（而不是一個線段），就可以減小上述的‘過切’現(xiàn)象，提高激光雕刻質(zhì)量。3、系統(tǒng)的抗干擾措施干擾是工業(yè)現(xiàn)場和實際應(yīng)用中不可避免的現(xiàn)象，系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要標(biāo)志。在本設(shè)計中主要采用了以下抗干擾措施：⑴數(shù)、模電路分開：在內(nèi)部電路和外部機(jī)械輸入信號中間采用普通光耦或高速光耦進(jìn)行隔離，將它們的電源和地線分開。⑵配置數(shù)字濾波器：對于FPGA芯片的幾個信號，復(fù)位、報警、回零等，能引起系統(tǒng)復(fù)位或停止，為了增加系統(tǒng)可靠性，要加數(shù)字濾波器，在此可以用軟件實現(xiàn)，用VHDL語言使這幾個信號經(jīng)過幾級D觸發(fā)器（級數(shù)視情況而定），再對各級信號進(jìn)行邏輯與或邏