以DSP和FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計詳解

在大型光電跟蹤設(shè)備中由于跟蹤算法復雜，分系統(tǒng)眾多，要求伺服控制模塊不僅精度高、速度快、可靠性強，而且要有豐富的外圍總線接口?？紤]可靠性，選用PCI04PLUS總線及CAN總線作為系統(tǒng)外部總線。PC104PLUS總線以針孔堆疊方式組成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗震性能好等優(yōu)點，可以在惡劣的環(huán)境下正常工作，應(yīng)用于工控機領(lǐng)域。其與PCI總線標準兼容，可用于中高速數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線符合可嵌入式結(jié)構(gòu)的先進設(shè)計思想。最早應(yīng)用于汽車電子中，由于其良好的工業(yè)抗干擾能力，近幾年廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制和軍用裝備方面?？紤]精度和速度，主控制器選用TMS320F2812A芯片。其作為專用于電機控制方面的高端DSP產(chǎn)品，具有高速度、高精度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于復雜伺服控制領(lǐng)域 。以PC104PLIUS和CAN為總線接口，DSP為核心處理芯片，FPGA設(shè)計前端預處理電路及接口。此結(jié)構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)具有處理速度快、精度高、可靠性強等特點，并有良好的擴展性和兼容性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

對于傳統(tǒng)工控機來說外設(shè)資源有限，必須擴展各種接口電路，控制程序復雜可移植性差。TMS320F2812A作為伺服控制的專用芯片運算能力強，外部資源有中斷控制、AD轉(zhuǎn)換、串口通訊等，非常適用于伺服控制。并且其集成了2個伺服運動控制事件管理器，把AB碼數(shù)據(jù)回饋、計時器、PWM波形產(chǎn)生集成于一個事件管理內(nèi)，只需DSP的CUP簡單控制就可以實現(xiàn)閉環(huán)伺服控制。TMS320F2812A內(nèi)核時鐘為150MHz，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，處理速度較快。并且其總線資源豐富，除了傳統(tǒng)的串口總線和HIP總線外，還有區(qū)域網(wǎng)CAN總線，可以方便的嵌人整個系統(tǒng)，有很強的擴展性。

為了適應(yīng)未來大型光電跟蹤設(shè)備伺服控制要求，整個系統(tǒng)應(yīng)該具有較高的處理速度和可靠的外圍總線接口。在伺服控制模塊上采取：PC104PLUS總線（低速ISA總線和高速PCI總線） +FPGA預處理+DSP核心處理器，這樣的結(jié)構(gòu)可以滿足系統(tǒng)對處理速度和外圍接口的要求。此結(jié)構(gòu)首先基于PC104PLUS總線，符合PC104總線標準，通用性強可以集成于工控機箱中。主控芯片TMS320F2812A保證伺服控制的速度和精度，并通過FPGA作為數(shù)據(jù)的預處理模塊，同時為其他系統(tǒng)預留通訊接口，具有擴展性強、適應(yīng)性強的特點。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 PC104PLUS總線

PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。PC104PLUS是其增強版本，主要增加了可適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳送的PCI總線，并兼容原有總線。其主要特點為：小尺寸結(jié)構(gòu)；堆棧式連接；模塊化結(jié)構(gòu)擴展性強；功耗低；適于制作高密度、小體積、便攜式測試設(shè)備，在軍用設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用。PC104作為系統(tǒng)總線，實際上是由ISA總線和PCI總線兩部分組成的。對于低速ISA總線來說，可以在FPGA中運用邏輯運算編寫總線時序，對于高速PCI總線，編寫總線時序的難度比較大。一般有兩種解決方法：（1）購買IP核在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)PCI總線邏輯；（2）運用專用PCI總線驅(qū)動芯片，如PCI9054等 。本方案中采用的是第二種方法，即采用PCI專用驅(qū)動芯片PCI9054。PCI9054是PLX公司生產(chǎn)的PCI總線接口芯片，滿足PCI2．0協(xié)議，有三種工作模式，很方便實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部總線和外部PCI總線的銜接。設(shè)計示意圖如圖2所示。

設(shè)計PCI9054工作于從模式下，PCI9054相對FPGA來說是主設(shè)備。當工控計算機對模塊執(zhí)行操作命令時由PCI9054產(chǎn)生相應(yīng)的讀寫時序，F(xiàn)PGA根據(jù)該命令時序來控制數(shù)據(jù)總線的打開、關(guān)閉從而實現(xiàn)工控機和主控芯片TMS320F2812A之間的通訊。其狀態(tài)機如圖3所示，此狀態(tài)機滿足單周期傳輸?shù)臅r序同時兼顧突發(fā)和DMA傳輸時序。

3 主控芯片TMS320F2812A

TMS32OF2812A數(shù)字信號處理器是在F24xx系列的基礎(chǔ)上開發(fā)的高性能定點芯片，TMS320 812A芯片其內(nèi)部主頻達到150MHz，處理性能達到150MIPS，片上包含高速FLASH和SRAM，采用哈佛結(jié)構(gòu)的流水線結(jié)構(gòu)。外部集成了靈活可靠的運動控制模塊EVA和EVB、12位AD轉(zhuǎn)換模塊，通訊模塊包括：2路異步串口，1路CAN總線，一路SPI同步串口通。完全可以單芯片實現(xiàn)高精度伺服控制。為達到大型光電跟蹤系統(tǒng)多伺服控制的要求，需要多個分系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，并聯(lián)系統(tǒng)伺服控制不可缺少。設(shè)計提供嵌入式CAN總線作為總線的可擴展結(jié)構(gòu)。CAN總線符合可嵌入式結(jié)構(gòu)的先進設(shè)計思想。近幾年廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制和軍用裝備方面。其傳送速度達到1Mbps ，只要設(shè)置握手協(xié)議可以在總線上自由裁減設(shè)備，使系統(tǒng)集成化、模塊化，非常有利于系統(tǒng)擴展。如圖4所示，系統(tǒng)A和系統(tǒng)B為包括編碼器的獨立伺服系統(tǒng)。CAN總線作為系統(tǒng)總線協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)。系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的脫靶量既可經(jīng)PC104PLUS總線由工控計算機提供也可由CAN總線提供。這樣在兼容單個伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上同時擴展并聯(lián)接口，使各個分系統(tǒng)可協(xié)調(diào)工作。

在大型光電跟蹤系統(tǒng)中，需要遠程控制、主軸伺服控制、輔助設(shè)備伺服控制、圖像處理、其他主動探測設(shè)備等，是典型的多任務(wù)系統(tǒng)。應(yīng)用CAN總線可以把整個光電跟蹤系統(tǒng)分為：大型跟蹤架主軸伺服控制單元，其他伺服控制單元，圖像捕獲單元，網(wǎng)絡(luò)控制單元。每個單元相對獨立，只通過CAN總線相互連接。使每個系統(tǒng)相對獨立又互相聯(lián)系，構(gòu)成可自由裁減和增設(shè)的嵌入式組合系統(tǒng)。

4 FPGA處理單元

在控制上多數(shù)情況采用串行運算，脫靶量的數(shù)據(jù)采集和一些耗時工作預處理、顯示、通訊等工作也必然包含于串行系統(tǒng)之中。這樣系統(tǒng)時間大多分配給數(shù)據(jù)采集和預處理環(huán)節(jié)而在核心算法上分配時問很短。在此系統(tǒng)加入FPGA預處理模塊（圖5），通用FPGA內(nèi)部的雙口RAM和DSP系統(tǒng)連接。這樣可以利用FPGA強大的并行運算功能在程序中合理分配任務(wù)，

核心算法在DSP的串行運算完成而預處理等處理算法在FPGA的并行系統(tǒng)中進行運算，極大提高整個系統(tǒng)的快速運算能力。并且由于FPGA和高速總線PC104PLUS相連接，在未來需要大規(guī)模運算單一系統(tǒng)資源難以滿足時可并聯(lián)處理器協(xié)同處理。

5 結(jié)論

在一些大型光電跟蹤設(shè)備中需要各系統(tǒng)協(xié)同工作，要求高精度、高可靠性并具有良好的可擴展性。采用TMS320LF2812A+FPGA+總線擴展結(jié)構(gòu)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)硬件得到簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)采用FPGA預處理和高速處理DSP芯片TMS320LF2812A，處理速度快、精度高。并且由于采用總線連接技術(shù)，擴展PC104PLUS總線（包括ISA總線和PCI總線）和CAN總線，使整個系統(tǒng)有很強的可擴展性和適用性。整個系統(tǒng)具有控制實時、性能靠性和擴展性強的特點，使得一些復雜算法得以實現(xiàn)。設(shè)計可以應(yīng)用于大型跟蹤設(shè)備的伺服控制中，市場前景廣闊。