基于DSP的運動控制器的研究

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為核心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(yīng)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(xì)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 核心 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。

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　　圖1 運動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

　　1.1 DSP+CPLD 主控模塊

　　本系統(tǒng)采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 為控制核心，這是工業(yè)界首批 32 位的控制 專用、內(nèi)含 FLASH 以及高達(dá) 150MHz 主頻的數(shù)字信號處理器，專門為工業(yè)自動化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動化控制等應(yīng)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(fù)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(yīng)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(fù)用器（GPIO）擁有多達(dá) 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 是主控核心，負(fù)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（PeripheralComponent Interconnect 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(fù)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(yán)格的規(guī)范，目前已經(jīng)發(fā)布了 PCI V1.0 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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn) RS-232 的通 信信號，實現(xiàn)正常的串口通信。

　　1.3 I/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(yīng)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 總線下載到運動控制器中，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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以考慮外擴一片 FLASH? 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 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8MB? FLASH，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。