基于DSP的運動控制器的開發(fā)

　運動控制器是一種用于多種運動控制場合的上位控制單元，通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP來控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。運動控制器與PC機(jī)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控工作；控制器完成運動控制的細(xì)節(jié)。運動控制器配有庫函數(shù)供用戶調(diào)用，這種開放的結(jié)構(gòu)能夠廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動化的各個領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

　　1．1 系統(tǒng)的構(gòu)成

　　系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、DSP外圍電路、脈沖輸出電路、編碼器信號采集和處理電路、D／A輸出電路和DSP-PC機(jī)通信電路等。核心微處理器采用美國TI公司的16位定點DSP芯片TMS320LF2407A。

　　1．2 系統(tǒng)的工作原理

　　本系統(tǒng)由上位機(jī)通過雙端口RAM把運動控制指令或控制參數(shù)傳遞給運動控制器的DSP，DSP根據(jù)采集到的PC機(jī)指令，通過位置控制和速度控制算法進(jìn)行計算。然后將計算出的脈沖信號經(jīng)脈沖驅(qū)動送電機(jī)驅(qū)動。

　　2 系統(tǒng)的硬件電路描述

　　系統(tǒng)硬件電路主要包括電源轉(zhuǎn)換模塊、DSP及外圍電路、擴(kuò)展存儲器電路、脈沖輸出電路、編碼器信號采集和處理電路、D／A輸出電路和DSP-PC機(jī)通信電路等。控制器板卡使用Altera公司的可編程邏輯器件MAXⅡEPM570實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路設(shè)計，降低了板卡的設(shè)計尺寸，增加了板卡的可靠性和設(shè)計靈活性，它的在線編程特性可使得數(shù)字邏輯設(shè)計、硬件設(shè)計，如同軟件設(shè)計一樣簡便。

　　2．1 電源轉(zhuǎn)換模塊

　　TMS320LF240A是低功耗芯片，采用3．3 V供電，本設(shè)計采用Bay Linear Inc公司生產(chǎn)的電源轉(zhuǎn)換芯片B1117提供。

　　2．2 DSP接口電路

　　2．2．1 時鐘信號

　　選擇16MHz的有源晶振作為外部時鐘信號源，從DSP的XTAL1／CLXIN腳輸入，經(jīng)PLL1和PLL2倍頻成32 MHz信號，供DSP使用。因而TMS320LF2407A的速度可達(dá)到3 1 ns，管腳XTAL2懸空。同時，16 MHz的有源晶振也是CPLD器件MAXⅡ570的外部時鐘信號源。

　　2．2．2 串行EEPROM接口電路

　　TMS320LF2407A引導(dǎo)ROM為用戶提供兩種選擇：同步傳輸通過串行外設(shè)接口(SPI)實現(xiàn)；異步傳輸通過串行通信接口(SCI)來實現(xiàn)。程序代碼可以加載到用戶指定的位置。為了有效的引導(dǎo)ROM和加載，本設(shè)計將MP／MC#引腳拉低，從而使DSP工作于微控制器模式。

　　2．2．3 擴(kuò)展RAM電路

　　TMS320LF2407A有1．5 kB的數(shù)據(jù)／程序RAM，544 bit雙口RAM(DARAM)和2 kB的單口RAM(SARAM)，但是考慮到所需的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間較大，在DSP外部用一片CY62136V作為外存儲器，該芯片是128 kB×16 bit的存儲器，其中64 kB作為數(shù)據(jù)存儲器，其余64 kB作為程序存儲器空間。

　　2．2．4 外部I／O信號處理

　　通過管腳引入的硬件中斷，包括軸限位中斷和編碼器INDEX信號中斷。8個限位中斷信號通過光耦隔離后接入CPLD，經(jīng)CPLD相與后接入DSP中斷管腳XINT1，同時這些信號與DSP的I／O口相連。當(dāng)某一軸運動到限位開關(guān)處時，就會觸發(fā)DSP的外部中斷信號XINT1，然后DSP就可以判定哪個限位開關(guān)已經(jīng)到位。光耦器件選用Toshiba公司的貼片光耦TLP121，它的平均輸入驅(qū)動電流為50 mA，平均輸出驅(qū)動電流為5 mA，可直接驅(qū)動TTL電路。

　　2．3 脈沖輸出電路

　　每一軸的兩個信號輸出口PLUSE+和PLUSE-可用來輸出脈沖和方向信號，這兩個輸出口可以由程序設(shè)定為CW／CCW雙脈沖模式或脈沖方向輸出模式，用戶可以設(shè)定J4～J11跳線來設(shè)定脈沖為差分輸出或者單端輸出兩種方式。

　　2．4 D／A轉(zhuǎn)換輸出電路

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的核心芯片采用BB公司生產(chǎn)的12位4路電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7625。DAC的片選信號由DSP的DS，PS，IS，STRB，R／W#，WE#，A0，A1，A2，A3，A11經(jīng)過譯碼得到。DAC的4個通道在DSP中的I／O地址為：0000 H，0001 H，0002 H，0003 H，DAC傳送寄存器地址為0004 H。

　　2．5 編碼器電路

　　該編碼器信號處理電路是針對增量式脈沖編碼器產(chǎn)生的信號進(jìn)行處理。為消除外部驅(qū)動器大電源的干擾，3對信號經(jīng)過光耦進(jìn)行隔離。利用DSP事件管理器中的正交編碼脈沖(QEP)電路，對引腳上的脈沖數(shù)目和頻率分別解碼和計數(shù)。

　　2．6 DSP-PC機(jī)通信電路

　　這里選用美國IDT公司生產(chǎn)的雙口RAM芯片IDT71 V321，該芯片均提供兩個帶有自身的控制、地址和I／O引腳的獨立端口，它允許獨立地讀寫存儲器中的任何電源。IDT71V321帶有片內(nèi)硬件端口仲裁電路，可以允許雙機(jī)同步地讀或?qū)懘鎯ζ髦械娜魏螁卧?，同時保證數(shù)據(jù)的完整性。它的競爭原則是：(1)左右兩端口的地址信號同時到達(dá)，那么誰的CE片選信號先到，慢的一方BUSY線下拉，直到快的一方訪問完畢；(2)左右兩端口的片選信號同時到達(dá)，那么誰的訪問地址信號先到，慢的一方BUSY線下拉，直到快的一方訪問完畢。將IDT71V 321的左側(cè)信號按普通接法和DSP相接。當(dāng)DSP發(fā)出讀/寫IDT71V321的命令時，IDT71 V321鎖存左邊的BUSYL信號，將此信號送到DSP。若BUSYL信號為1，則表示DSP剛才讀IDT71V321不存在沖突，讀／寫有效；若為0，則說明DSP剛才對IDT71V 321的讀／寫存在沖突，本次讀／寫無效，DSP要重新操作。PC機(jī)對接口的尋址方式里采用L／O尋址方式，使用的控制線為IOW和IOR。

3 軟件程序設(shè)計及流程

　　整個運動控制系統(tǒng)程序主要包括EEPROM引導(dǎo)程序和DSP主程序兩部分。其中，F(xiàn)lash引導(dǎo)程序的作用是把系統(tǒng)程序從片外低速EEPROM傳送到片外高速RAM中運行，在運動控制卡的硬件調(diào)試階段，程序規(guī)模比較小，程序可以存放在片內(nèi)的。Flash中，這樣則不需要引導(dǎo)程序，直接在片內(nèi)運行程序。系統(tǒng)程序主要由主程序、讀寫雙口RAM程序、脈沖輸出程序、插補程序和加減速控制程序組成。主程序調(diào)用各子程序，進(jìn)行與上位機(jī)的通信、I／O、QEP、定時器及中間寄存器的初始化、設(shè)置中斷標(biāo)志、讀取計數(shù)器的值、計算各控制量、積分平滑等功能。當(dāng)發(fā)生中斷時，調(diào)用相應(yīng)中斷程序，并修改或重置標(biāo)志位。

　　圖2所示為DSP主程序的流程圖。主CPU使用硬件復(fù)位控制DSP的復(fù)位操作，DSP復(fù)位后運行片內(nèi)ROM或加載到RAM中的系統(tǒng)主程序。DSP主程序由初始化程序、時鐘循環(huán)等待中斷程序組成。初始化程序完成所有變量的初始化，復(fù)位全部外設(shè)和關(guān)閉所有輸出。之后進(jìn)入循環(huán)和等待中斷的過程，檢測到主機(jī)命令之后，讀取命令并根據(jù)系統(tǒng)需要調(diào)用相應(yīng)的處理程序。命令處理完后再進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，命令處理程序是實現(xiàn)運動控制器功能的關(guān)鍵程序，包括運動控制的算法，速度控制、位置控制等功能的實現(xiàn)，還包括完成數(shù)據(jù)寫入和讀取等功能，同時對外部中斷進(jìn)行處理。當(dāng)上位機(jī)給運動控制卡發(fā)送控制命令時，DSP首先讀取主機(jī)發(fā)送來的軸的目標(biāo)位置，根據(jù)速度控制的模式設(shè)定指令選擇相應(yīng)的速度控制算法，同時查詢外部事件，如有事件發(fā)生，執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。接著就可以送出軸的控制輸出，檢測各軸是否都完成運動(判斷軸狀態(tài)寄存器完成標(biāo)志位)，完成則推出命令處理程序，否則繼續(xù)執(zhí)行。

　　4 結(jié)束語

　　運動控制器的硬件設(shè)計需要注意：如抗干擾、外圍電路的速度與DSP的實時性能匹配問題。這些問題相互影響，要確定一個正確的電路結(jié)構(gòu)和合理的PCB布線，需要大量的實際經(jīng)驗，因此在電路結(jié)構(gòu)方面仍有待改進(jìn)，使之更適應(yīng)穩(wěn)定、高速的控制要求。對控制軟件的改進(jìn)主要包括以下兩方面：

　　(1)完成上位機(jī)上接口函數(shù)、運動控制函數(shù)庫和上層調(diào)試環(huán)境的設(shè)計、編寫NURBS數(shù)學(xué)處理程序，在運動控制器內(nèi)部實現(xiàn)不同的插補算法，建立運動控制器的操作平臺和完善的人機(jī)交互功能，使得運動控制器具有更強(qiáng)大的控制性能和更容易編程；

　　(2)對伺服電機(jī)的控制只提供了硬件上的支持，在軟件上需要對光電編碼器的反饋信號進(jìn)行分析，計算出與給定位置的誤差，再通過軟件PID算法調(diào)節(jié)器獲得位置控制量來控制伺服系統(tǒng)。