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51單片機(jī)和CPLD的望遠(yuǎn)鏡伺服控制器設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-11-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言
微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展推動(dòng)著伺服控制技術(shù)的進(jìn)步,控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)越來越高速化、小型化、模塊化,功能也日趨強(qiáng)大完善;而且,伺服控制技術(shù)是朝著更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展的,要求控制器算法實(shí)現(xiàn)簡單、控制接口靈活,針對不同的伺服控制對象時(shí)硬件系統(tǒng)不變,軟件系統(tǒng)也可以完成參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。
在高精度大型望遠(yuǎn)鏡伺服控制應(yīng)用場所,采用高精度光電編碼器作為主要反饋手段,主要有絕對式和增量式編碼器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號有模擬電壓輸出或PWM脈沖輸出,通過調(diào)整電壓的大小或PWM的占空比來調(diào)整電機(jī)的速度。系統(tǒng)具有和上位機(jī)的通信接口以及一些邏輯輸入/輸出接口等。大型望遠(yuǎn)鏡是用于跟蹤測量空中飛行目標(biāo)或觀測天體目標(biāo)的精密光學(xué)設(shè)備。伺服系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分,它對于跟蹤目標(biāo)、精確測量目標(biāo)的位置以及其他參數(shù)都起著重要作用。伺服系統(tǒng)的性能會(huì)直接影響望遠(yuǎn)鏡的觀測能力,對望遠(yuǎn)鏡的高精度伺服控制需要高精度的位置反饋裝置,以及高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖。
本文采用高速單片機(jī)作為主控制器,與光電編碼器接口多為AB正交碼和零位信號輸入;驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用帶死區(qū)PWM信號驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī);采用實(shí)現(xiàn)高速光電編碼器的AB碼計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)位數(shù)的設(shè)定以及32位的可逆計(jì)數(shù),同時(shí)可以輸出高分辨率的帶死區(qū)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號。本文結(jié)合高速單片機(jī)和的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)采用高速單片機(jī)作為主控制器來構(gòu)成低成本的伺服控制方案。具有編程靈活、集成度高、開發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。因此,選擇一款合適的CPLD可滿足伺服控制系統(tǒng)的AB正交碼計(jì)數(shù)和PWM波形產(chǎn)生等電路接口要求,同時(shí)大大減小PCB面積,增強(qiáng)可靠性。整個(gè)控制器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

15a.jpg


作為主控制器的高速單片機(jī)選擇。它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型芯片,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算、控制算法和A/D采集等功能。
具有如下特性:
◆高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(100 MIPS或50MIPS);
◆真正12位、100 ksps的ADC,帶PGA和8通道模擬多路開關(guān);
◆兩個(gè)12位DAC,具有可編程數(shù)據(jù)更新方式;
◆2周期的16×16乘法和累加引擎;
◆128 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器;
◆8448(8 K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM;
◆可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口;
◆硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和2個(gè)UART串行接口;
◆5個(gè)通用的16位定時(shí)器;
◆具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列;
◆片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。
CPLD選用A1tera公司的低功耗MAXII系列的EPM570T100。它含有570個(gè)邏輯單元(LE),等效于440個(gè)宏單元;8192位的用戶Flash存儲器,可滿足用戶小容量信息存儲要求;最大用戶I/0數(shù)為76,最短訪問時(shí)間為4.5ns,內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率為304 MHz,完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。EPM570T100主要和C8051F120的P1、P5、P6、P7接口,以及和編碼器的ABZ碼、8路輸出和8路輸入接口電路相接,實(shí)現(xiàn)和C8051F120的數(shù)據(jù)總線和地址總線接口電路、外部定時(shí)中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計(jì)數(shù)電路、故障保護(hù)電路等功能。

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