基于DSP 的PCI 通用運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種基于TMS320F2812 的PCI 總線通用運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)控制卡的配置進(jìn)行了深入分析，給出了具體的配置參數(shù)。最后，介紹了板卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法。采用DSP 和PCI 結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的高速通訊，并充分發(fā)揮了DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算能力和極高的處理速度，以保證控制卡對(duì)實(shí)時(shí)性和精度的苛刻要求。

1 引言

隨著 DSP 技術(shù)的飛速發(fā)展，以其為核心的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡越來越廣泛的應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。上位機(jī)只需對(duì)被控對(duì)象實(shí)施總體的控制和管理，而位置反饋信號(hào)的采集、閉環(huán)控制的計(jì)算和控制量的輸出均由運(yùn)動(dòng)控制卡完成，這極大地提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度。本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制卡以TI 公司的32 位定點(diǎn)DSP TMS320F2812 為核心處理器，輔以運(yùn)動(dòng)控制器LM628，通過PCI 總線專用接口芯片PCI9052 與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)3 軸(可擴(kuò)成多軸)伺服電機(jī)的控制，完成位置、速度控制以及直線、圓弧插補(bǔ)功能。本文將對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)

TMS320F2812 是基于TI 公司最新的C28x 內(nèi)核而設(shè)計(jì)的。與其他的處理器相比，其具有如下一些特點(diǎn)：采用低功耗設(shè)計(jì)，核心電壓僅1.8V~1.9V，顯著降低了功耗，指令周期可達(dá)6.67ns;新增了擴(kuò)展控制寄存器以實(shí)現(xiàn)各種增強(qiáng)功能;多達(dá)128K×16 位的Flash 存儲(chǔ)器，足夠用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)變量;56 個(gè)可編程或復(fù)用的通用I/O。

LM628 是NSC 公司專為使用增量式編碼器作為位置反饋的伺服機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的一種芯片，其集成度高，需要外圍部件少，易于調(diào)試。主要特點(diǎn)如下：具有32 位位置、速度和加速度寄存器;帶有16 位參數(shù)的可編程數(shù)字PID 控制器;可編程微分采樣間隔;運(yùn)動(dòng)過程中可改變速度、預(yù)期位置和PID 控制器參數(shù);實(shí)時(shí)可編程的主機(jī)中斷。

PCI9052 是PLX 公司推出的低成本、低功耗、32 位PCI 總線專用目標(biāo)接口芯片。其兼容PCI V2.1 協(xié)議特性，可與多種局部總線相連;支持復(fù)用或非復(fù)用的8/16/32 位局部總線;支持4 個(gè)局部片選信號(hào)和5 個(gè)局部地址空間;支持兩個(gè)來自局部總線的中斷，可生成一個(gè)PCI 中斷;支持局部總線等待狀態(tài)，附加的LRDYi#握手信號(hào)可用于產(chǎn)生各種等待狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)控制卡的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。其中，DB 為數(shù)據(jù)總線，AB 為地址總線，CB為控制總線，CS-1~CS-4 為片選信號(hào)，XA0 為DSP 經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的最低位地址線。

圖 1 運(yùn)動(dòng)控制卡的總體硬件結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出 PCI 接口芯片的PCI 總線端直接與金手指相連，局部總線端則通過雙端口RAM 與DSP 相連，構(gòu)成16 位存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換電路。DSP 分別與三片LM628 相連，與其配合以實(shí)現(xiàn)3 軸運(yùn)動(dòng)控制。這樣既解決了DSP 因系統(tǒng)資源不足不能控制多軸的問題，又彌補(bǔ)了LM628 單獨(dú)控制時(shí)總線傳輸延時(shí)的缺點(diǎn)。LM628 的數(shù)字量輸出經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和電壓放大后轉(zhuǎn)換為交流伺服驅(qū)動(dòng)器可以接收的模擬電壓信號(hào)(-10V~+10V)。而伺服電機(jī)增量式光電編碼器的反饋經(jīng)差分電路濾波并合成單端信號(hào)接入到LM628 中，以構(gòu)成位置閉環(huán)控制。

圖 2 PCI 總線接口框圖