基于CPLD與絕對(duì)式編碼器的高精度高速伺服單元

　目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床中的伺服電機(jī)一般都是配套增量式編碼器，而增量式編碼器的精度并不太高且輸出的是并行信號(hào)，欲提高其精度就必然要增大編碼器的設(shè)計(jì)難度和增多并行信號(hào)的輸出，這樣就不利于伺服單元與編碼器的長(zhǎng)距離通信，而采用絕對(duì)式編碼器，除了其精度比增量式編碼器高幾倍以外，其信號(hào)的輸入輸出都采用高速串行通信，節(jié)省了通信線路便于長(zhǎng)距離的通信，在編碼器的另一端，采用CPLD與絕對(duì)式編碼器進(jìn)行高速串行通信，CPLD再把收到的編碼器信息轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)傳送給伺服單元中的DSP進(jìn)行運(yùn)算控制，本文將給出CPLD與絕對(duì)式編碼器高速串行通信的軟硬件設(shè)計(jì)方案。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　硬件主要由電源、CPLD及其外圍電路和絕對(duì)式編碼器接口電路三個(gè)模塊組成。 

　　電源模塊

　　電源模塊由開關(guān)電源電路和DC/DC電源芯片組成，如圖1所示。 

　　圖中的開關(guān)電源將220V交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變成+5V，+15V，-15V，開關(guān)電源可濾除電網(wǎng)中存在的各種干擾，并且開關(guān)電源中的變壓器將220V AC與輸出的+5V，+15V，-15V隔離開，內(nèi)部電路還采用了TL431調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通脈沖寬度，因此開關(guān)電源的抗干擾、安全性、穩(wěn)定性及穩(wěn)壓程度都比較好，TPS7333是DC/DC芯片，它將+5V的直流電壓轉(zhuǎn)變成+3.3V的穩(wěn)定直流電壓供給CPLD使用，TPS7333轉(zhuǎn)換效率、可靠性和穩(wěn)壓性都比較好，它在輸入電壓為+3.77V-+10V的電壓范圍內(nèi)都能轉(zhuǎn)換出+3.3V，使CPLD不受輸入電壓過高導(dǎo)致其燒壞。 

　　CPLD及其外圍電路模塊

　　CPLD及其外圍電路模塊主要由CPLD、CPLD編程下載接口電路（JTAG接口），DSP接口電路、有源晶振、電平轉(zhuǎn)換電路和ADM485及其外圍電路（負(fù)責(zé)與編碼器通信的接口電路）組成（圖2）。

　　本設(shè)計(jì)CPLD采用Altera公司的EPM570T144C5，此芯片屬于Altera公司的MAX II，MAX II相對(duì)MAX I成本更加低，功耗更加小，而器件的宏單元數(shù)更加多，且器件延時(shí)控制在6ns以內(nèi)，具有很高的性價(jià)比，EPM570T144C5有570個(gè)宏單元數(shù)，芯片的引腳數(shù)目為144個(gè)，其中可用的I/O口有116個(gè)，因此此芯片的資源已經(jīng)足夠用。CPLD主要負(fù)責(zé)與絕對(duì)式編碼器的高速串行通信，并受控于DSP的命令把接收到編碼器數(shù)據(jù)和其他信息并行的轉(zhuǎn)送給DSP。 

　　JTAG接口主要用于下載可執(zhí)行文件到CPLD，在PC機(jī)安裝Altera公司的開發(fā)環(huán)境-QUARTUS II，并在此開發(fā)環(huán)境中將編寫好的VHDL程序進(jìn)行編譯，保證編譯不出錯(cuò)并且保證功能已實(shí)現(xiàn)后，連接好下載電纜到JTAG接口，通過QUARTUS II提供的編程下載工具，對(duì)CPLD電路板進(jìn)行下載。 

　　DSP接口就是由8根數(shù)據(jù)線，3根地址線和1根控制線組成的，8根數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送編碼器數(shù)據(jù)及其其他信息，3根地址線負(fù)責(zé)傳送DSP命令，在CPLD終端進(jìn)行譯碼，CPLD根據(jù)譯碼得出的命令將編碼器數(shù)據(jù)或其他信息通過8根數(shù)據(jù)線傳送到DSP，控制線主要是完成CPLD與DSP同步控制。 

　　20M有源晶振主要是為CPLD提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，供CPLD產(chǎn)生2.5Mb/s的波特率與編碼器進(jìn)行通信，和產(chǎn)生10M赫茲時(shí)鐘供一些邏輯控制信號(hào)使用，此晶振提供20M赫茲的時(shí)鐘頻率，需要電源提供3.3V的直流電壓。 

　　電平轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)將3.3V電壓轉(zhuǎn)換成5V或?qū)?V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V，因?yàn)镃PLD的核和I/O口需要的供電電壓都是3.3V，而ADM485和絕對(duì)式編碼器所需的供電電壓和I/O口驅(qū)動(dòng)電路都為5V，所以需要用電平轉(zhuǎn)換芯片LVC4245A將3.3V轉(zhuǎn)換成5V電壓或?qū)?V轉(zhuǎn)換成3.3V。 

　　ADM485及其外圍電路是CPLD與絕對(duì)式編碼器高速通信的硬件銜接。ADM485工作電壓為5V，其最大通信速率為5Mb/s，采用2個(gè)ADM485芯片進(jìn)行對(duì)接通信可提高通信線路上的抗干擾能力，最長(zhǎng)的傳輸距離可達(dá)1.2km。其外圍電路如圖3所示，虛線的右半部屬于絕對(duì)式編碼器的外圍電路，上拉和下拉電阻都是1K歐姆，限流電阻則是220歐姆，ADM485的SDAT是數(shù)據(jù)輸出引腳，ADM485是SRQ是數(shù)據(jù)輸入引腳，ADM485的DE是外部控制引腳，該腳受CPLD控制，由于RS-485通信協(xié)議屬于半雙工，所以ADM485只能處在發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，當(dāng)ADM485得DE為高電平時(shí)，ADM485處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)（即CPLD接收數(shù)據(jù)），當(dāng)ADM485的DE為低電平時(shí)，ADM485處于數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)（即CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)）。 

　　絕對(duì)式編碼器接口模塊

　　絕對(duì)式編碼器接口模塊是指絕對(duì)式編碼器內(nèi)部的電源及信號(hào)輸入輸出接口電路，其電路與上述的ADM485及其外圍電路是一致的，同樣是采用ADM485芯片及一些上拉、下拉及限流電阻，如圖3所示，虛線的左半部就是絕對(duì)式編碼器內(nèi)部接口電路，它負(fù)責(zé)與外部ADM485（虛線的右半部）銜接，ADM485受編碼器內(nèi)部的控制芯片所控制，當(dāng)編碼器受到CPLD發(fā)來的命令之后，控制芯片做出判斷后發(fā)送出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)控制ADM485的DE為高電平，即使ADM485處于發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，控制芯片又使ADM485的DE處于低電平狀態(tài)，便于隨時(shí)接收CPLD發(fā)來的命令。 

　　軟件設(shè)計(jì) 

　　軟件是指CPLD的VHDL程序，其主要由分頻器、接收DSP控制命令、CPLD邏輯控制、波特率發(fā)生器、接收及發(fā)送數(shù)據(jù)和串并轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)六個(gè)軟件子模塊組成（圖4）。

• 　　分頻器模塊 

　　分頻器模塊主要是把20M赫茲的輸入時(shí)鐘頻率分頻為10M赫茲和2.5M赫茲的時(shí)鐘頻率，其中10M赫茲時(shí)鐘主要是供給CPLD邏輯控制模塊工作，2.5M赫茲時(shí)鐘主要是供給波特率發(fā)生器模塊工作。 

• 　　接收DSP控制命令模塊 

　　接收DSP控制命令模塊實(shí)際上是實(shí)時(shí)的采集DSP發(fā)來的控制信號(hào)并及時(shí)的將控制信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼完成后立即轉(zhuǎn)送給CPLD邏輯控制模塊。 

• 　　CPLD邏輯控制模塊 

　　CPLD邏輯控制模塊是整個(gè)CPLD軟件的核心，其接收到譯碼數(shù)據(jù)后，立即作出邏輯控制運(yùn)算，并快速的控制接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊和控制串行轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。 

• 　　波特率發(fā)生器模塊 

　　波特率發(fā)生器模塊主要是為接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊提供2.5Mb/s波特率。 

• 　　接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊 

　　接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊是整個(gè)CPLD軟件的重要組成部分，其主要負(fù)責(zé)與絕對(duì)式編碼器高速通信，由于其通信方式是異步串行通信方式，因此其波特率、通信的數(shù)據(jù)格式及RS-485通信協(xié)議都要與絕對(duì)式編碼器相同。 

• 　　串并轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊 

　　串并轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊主要是將接收到的編碼器串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)鎖存在CPLD鎖存器內(nèi)，當(dāng)CPLD邏輯控制模塊控制其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就將鎖存在CPLD鎖存器內(nèi)的數(shù)據(jù)以并行的方式放送給DSP，供DSP進(jìn)行運(yùn)算控制用。 

　　結(jié)語 

　　本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了硬件及軟件的全部設(shè)計(jì)，讀取帶有絕對(duì)式編碼器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的任何一個(gè)位置數(shù)據(jù)只需31μs，通信速率可達(dá)2.5Mb/s，將本設(shè)計(jì)集成在伺服驅(qū)動(dòng)單元中，驅(qū)動(dòng)和控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)可達(dá)6000轉(zhuǎn)/分，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置精度可達(dá)μM級(jí)。