基于DSP/FPGA及以太網(wǎng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與研究

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是制造自動(dòng)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，研究和開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器已從以單片機(jī)和微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，發(fā)展到了基于PC機(jī)平臺(tái)的以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)作為核心處理器的協(xié)處理架構(gòu)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器將PC機(jī)和DSP的信息處理能力與FPGA的外圍擴(kuò)展功能很好的結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、模塊化、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

1系統(tǒng)概述

該四軸運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和alterA公司CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8F256C6為核心，DSP通過(guò)網(wǎng)口接收上位機(jī)的控制參數(shù)，完成系統(tǒng)位置、速度控制及運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃;FPGA完成運(yùn)動(dòng)控制器的精確插補(bǔ)功能和外圍電路的擴(kuò)展，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能包括：4路模擬電壓輸出，電壓范圍為-10～+10V，分辨率為16b;4路脈沖量信號(hào)輸出;4路脈沖方向信號(hào)輸出;4路驅(qū)動(dòng)復(fù)位信號(hào)輸出;4路驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)輸出;4路差分編碼信號(hào)輸入;4路驅(qū)動(dòng)報(bào)警信號(hào)輸入;8路正負(fù)限位信號(hào)輸入;4路原點(diǎn)信號(hào)輸入;16路通用數(shù)字量。I/O。

2DSP模塊設(shè)計(jì)

DSP根據(jù)從上位機(jī)接收的運(yùn)動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算規(guī)劃位置和規(guī)劃速度，生成所需的速度曲線，實(shí)時(shí)的輸出規(guī)劃位置。TMS320F2812是TI推出的一款專門用于電機(jī)控制的32位定點(diǎn)DSP芯片，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻高達(dá)150MHz(指令周期6.67ns)，低功耗，核心電壓為1.8V，I/O電壓3.3V，支持JTAG邊界掃描，128K×16b的片內(nèi)FLASH。有兩個(gè)事件管理器(EVA和EVB)，它們都是特定的外圍設(shè)備，為多軸運(yùn)動(dòng)控制器而設(shè)計(jì)的?？赏ㄟ^(guò)外部存儲(chǔ)器接口XINTF擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。DSP外圍模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

為增強(qiáng)抗干擾性，DSP通過(guò)以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與上位機(jī)連接，RTL8019AS內(nèi)部含有一個(gè)16KB的SDRAM，DSP通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口對(duì)其進(jìn)行讀寫來(lái)接收上位機(jī)的命令或向上位機(jī)傳送反饋信號(hào)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中要占用大量的存儲(chǔ)空間，DSP內(nèi)部?jī)H含有18K×16b的SARAM和128K×16b的FLASH，存儲(chǔ)空間顯得過(guò)小，所以通過(guò)外部接口擴(kuò)展了256K×16bRAM和512K×16bFLASH，RAM和FLASH芯片分別選擇IS61LV25616AL、SST39VF800，它們都具有接口簡(jiǎn)單、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)。SCI模塊用于擴(kuò)展RS232串行通信接口，串口芯片使用MAX3232。

運(yùn)動(dòng)控制器所需電壓為5V，3.3V，1.8V，1.2V。輸入電壓5V，分別采用穩(wěn)壓芯片LM1085IS3.3，LM1117-1.8將其轉(zhuǎn)換成3.3V和1.8V，由于TMS320F2812的I/O電壓3.3V要先于內(nèi)核電源上電，所以1.8V要由3.3V降壓得到，以確保上電次序。1.2V是FPGA內(nèi)核所需電壓，由穩(wěn)壓芯片LM317S穩(wěn)壓得到，LM317S的輸出電壓范圍為1.2～25V，復(fù)位電路采用SP708低功耗微處理器監(jiān)控器件，此器件有眾多的組件，有效的增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性及工作效率。

3FPGA模塊設(shè)計(jì)

FPGA用于軸資源的擴(kuò)展，當(dāng)接收到DSP中的規(guī)劃位置后，在軸資源中對(duì)其進(jìn)行變換處理，輸出到伺服控制器中，伺服控制器將規(guī)劃位置與編碼反饋的計(jì)數(shù)位置進(jìn)行比較，獲得跟隨誤差，并通過(guò)伺服控制算法得到實(shí)時(shí)的控制量，將控制量傳遞給D/A轉(zhuǎn)換器，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成控制電壓輸出。

EP2C8F256C6是alterA公司CycloneⅡ系列芯片，其特點(diǎn)為高性能低功耗，內(nèi)核供電電壓為1.2V，8256個(gè)邏輯單元(LEs)，182個(gè)用戶I/O口(項(xiàng)目中使用了157個(gè)I/O口)，165888b的內(nèi)部RAM，嵌入了18b的乘法器，每個(gè)乘法器又可拆成2個(gè)9b的乘法器，芯片內(nèi)部含有2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，8個(gè)全局時(shí)鐘(GlobalClocks)。該芯片所具有的邏輯單元數(shù)、頻率和用戶I/O口等都能很好的滿足設(shè)計(jì)需求。FPGA的外圍模塊擴(kuò)展如圖3所示。


3.1與DSP接口設(shè)計(jì)

DSP芯片的事件管理器(EVA，EVB)用于和FPGA連接，當(dāng)輸出脈沖量控制驅(qū)動(dòng)器時(shí)，DSP使用兩個(gè)事件管理器進(jìn)行PWM波的控制，當(dāng)輸出模擬量時(shí)，DSP使用GPIOA/GPIOB向FPGA輸出規(guī)劃位置。

3.2模擬信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)

采用D/A轉(zhuǎn)換器AD669進(jìn)行模擬信號(hào)的輸出，AD669具有兩級(jí)鎖存，在設(shè)計(jì)中，將其四路D/A芯片的第一級(jí)鎖存處于透明狀態(tài)，第二級(jí)鎖存控制信號(hào)LDAC連在一起，當(dāng)四路D/A芯片的數(shù)據(jù)預(yù)裝好后，打開(kāi)第二級(jí)鎖存，四路D/A芯片即可同時(shí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了四軸驅(qū)動(dòng)的同時(shí)控制。

3.3脈沖信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)

脈沖輸出電路由FPGA內(nèi)部精插補(bǔ)器完成，精插補(bǔ)器根據(jù)DSP發(fā)送來(lái)的粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)生均勻的脈沖輸出，脈沖的輸出有兩種格式：“脈沖+方向”和“正負(fù)脈沖”。由于差分信號(hào)對(duì)外部電磁等信號(hào)有很好的抗干擾性，特別是對(duì)共模干擾有很好的抑制作用。所以脈沖經(jīng)過(guò)光耦隔離后，再將信號(hào)接入差分線驅(qū)動(dòng)器AM26LS31后輸出，差分線驅(qū)動(dòng)器AM26LS31的作用是將輸入的單極性方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為一對(duì)極性相反的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3.4編碼反饋電路設(shè)計(jì)