基于DSP 的PCI 通用運動控制卡的硬件設(shè)計

摘要：本文提出了一種基于TMS320F2812 的PCI 總線通用運動控制卡的設(shè)計方案。詳細介紹了運動控制卡的硬件結(jié)構(gòu)，并對控制卡的配置進行了深入分析，給出了具體的配置參數(shù)。最后，介紹了板卡驅(qū)動程序的設(shè)計方法。采用DSP 和PCI 結(jié)合的方式，實現(xiàn)了上下位機的高速通訊，并充分發(fā)揮了DSP 強大的運算能力和極高的處理速度，以保證控制卡對實時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動控制卡越來越廣泛的應(yīng)用在運動控制系統(tǒng)中。上位機只需對被控對象實施總體的控制和管理，而位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制的計算和控制量的輸出均由運動控制卡完成，這極大地提高了運算速度和控制響應(yīng)速度。本文設(shè)計的運動控制卡以TI 公司的32 位定點DSP TMS320F2812 為核心處理器，輔以運動控制器LM628，通過PCI 總線專用接口芯片PCI9052 與上位機通信，實現(xiàn)3 軸(可擴成多軸)伺服電機的控制，完成位置、速度控制以及直線、圓弧插補功能。本文將對運動控制卡的硬件設(shè)計進行詳細的介紹。

2 運動控制卡的硬件結(jié)構(gòu)

TMS320F2812 是基于TI 公司最新的C28x 內(nèi)核而設(shè)計的。與其他的處理器相比，其具有如下一些特點：采用低功耗設(shè)計，核心電壓僅1.8V~1.9V，顯著降低了功耗，指令周期可達6.67ns;新增了擴展控制寄存器以實現(xiàn)各種增強功能;多達128K×16 位的Flash 存儲器，足夠用于存儲程序和數(shù)據(jù)變量;56 個可編程或復(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構(gòu)而設(shè)計的一種芯片，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;運動過程中可改變速度、預(yù)期位置和PID 控制器參數(shù);實時可編程的主機中斷。

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 個局部片選信號和5 個局部地址空間;支持兩個來自局部總線的中斷，可生成一個PCI 中斷;支持局部總線等待狀態(tài)，附加的LRDYi#握手信號可用于產(chǎn)生各種等待狀態(tài)。運動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，XA0 為DSP 經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的最低位地址線。

圖 1 運動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 位存儲轉(zhuǎn)換電路。DSP 分別與三片LM628 相連，與其配合以實現(xiàn)3 軸運動控制。這樣既解決了DSP 因系統(tǒng)資源不足不能控制多軸的問題，又彌補了LM628 單獨控制時總線傳輸延時的缺點。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)動器可以接收的模擬電壓信號(-10V~+10V)。而伺服電機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

2.1 PCI 總線接口

PCI 總線是一種高性能、32 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，數(shù)據(jù)傳輸速率高達132MB/s。目前實現(xiàn)PCI 接口的有效方案有使用可編程邏輯器件和使用專用接口芯片兩種。前者實現(xiàn)PCI接口比較靈活，但是設(shè)計難度很高。后者雖沒有前者那么靈活，但其優(yōu)越性非常明顯：能夠有效降低接口設(shè)計的難度，縮短開發(fā)時間，同時其還具有較低的成本和通用性，并能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間等。這里采用PCI9052 實現(xiàn)PCI 總線接口，并選用EEPROM93LC46B 對其進行配置，電路框圖如圖2 所示。中斷信號這里只用到一條中斷線INTA#。

2.2 局部總線接口

為了滿足DSP 與上位機之間大量數(shù)據(jù)的高速交換，這里采用主從式共享雙口RAM 的通信方案，接口電路如圖3 所示。由于IDT7133 是2K×16 位的SRAM，因此將PCI9052的局部總線設(shè)置為16 位寬的數(shù)據(jù)總線，即將LBE1#單獨接到IDT7133 的A0L 端。BUSYL經(jīng)非門接到PCI9052 的LRDYi#端，這是因為當(dāng)BUSYL 為高時才允許外部設(shè)備訪問，而局部總線準(zhǔn)備好信號LRDYi#為低電平有效。BUSYR 經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接接到TMS320F2812 的READY 端。當(dāng)BUSYL 或BUSYR 任何一個引腳被置低，其所屬設(shè)備就等待一個訪問周期，直到BUSY 被拉高，即雙口RAM 不再忙，這樣便保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。因此，采用雙口RAM 通信不但簡化了接口電路的設(shè)計，而且提高了上下位機數(shù)據(jù)交換的速度。

圖 3 局部總線接口電路

2.3 LM628 伺服控制單元

控制卡共有 3 路輸出，其中一路如圖4 中虛線框(1)所示，其余兩路與此類似。XD0~XD7為DSP 的低八位數(shù)據(jù)線，LM628 所需的32 位數(shù)據(jù)由其經(jīng)總線驅(qū)動芯片SN74LVC4245 分四個寫周期寫入。DSP 經(jīng)CS-1 選通LM628 后，再結(jié)合XA0 就可實現(xiàn)對其讀寫。為了提高控制精度，這里采用12 位輸出模式，即在每一個采樣周期，LM628 的18~23 腳輸出兩個周期，前一個輸出低6 位數(shù)據(jù)，后一個輸出高6 位數(shù)據(jù)。為了讓12 位數(shù)據(jù)能同時輸入到后續(xù)的DAC芯片中，這里采用了一片6 位數(shù)據(jù)鎖存器74LS378。當(dāng)LM628 輸出低6 位時，DA0 是輸入觸發(fā)器的時鐘信號，DA1 是觸發(fā)器的允許信號，此時，鎖存器的G 端為高，數(shù)據(jù)鎖存，接著LM628 輸出高6 位數(shù)據(jù)，此時DA0 是給DAC 芯片的寫信號，DA1 是片選信號，鎖存器的G 端為低，數(shù)據(jù)不鎖存。這樣便從8 位輸出合成了12 位的DAC 輸入信號DAC0~DAC11。

圖 4 運動控制卡的一路實現(xiàn)原理圖

2.4 數(shù)/模轉(zhuǎn)換和放大電路

如圖 4 中虛線框(2)所示，DAC 參考電壓Vref 由Maxim 公司的MAX680 提供，而LM358的±12V電源則可直接從PCI 插槽獲得。LM628 輸出的12 位數(shù)字量經(jīng)AD7545A 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，再由LM358 兩級運算放大成-10V~+10V 電壓信號送往交流伺服驅(qū)動器，從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。電阻R26 和R27 用來調(diào)整滿刻度輸出電壓和抑制零點漂移，電容C38 則用來加快DAC變換速度和對其輸出進行頻率補償。最終輸出電壓Vout1 可由式(1)計算得出：

2.5 差分電路

在噪聲比較大的環(huán)境中，為了解決干擾和遠距離傳輸?shù)葐栴}，通常采用差動信號傳輸，如圖4 中虛線框(3)所示。為了進一步消除干擾，在每個輸入端都接入一個濾波電容，同時在每一對差動信號輸入線之間接一個用于線路阻抗匹配的電阻。差動信號(IN+、IN-、A+、A-、B+、B-)經(jīng)差動線路接收器SN75175 和高速光電耦合器6N137 轉(zhuǎn)換為單端信號(IN、A、B)輸入到LM628 中，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.6 譯碼電路

如圖 4 中虛線框(4)所示，采用一片3/8 譯碼器74LS138 對地址譯碼，實現(xiàn)對控制卡3路伺服單元的片選，而XA0 則專門用于對LM628 進行讀寫控制，這樣得出的地址信號是連續(xù)的(0XF60~0XF65)。另外，采用一片四位二進制碼比較器74LS85 實現(xiàn)DSP 對雙口RAM的讀寫片選。片選地址信號范圍為0~7FF，這剛好尋址雙口RAM 2K 范圍內(nèi)的所有空間。

此外，由于TMS320F2812 要從雙口RAM 讀出大量的運動軌跡數(shù)據(jù)并存儲，而其片內(nèi)只有18KB 的空間，遠不能滿足要求，同時為了方便程序調(diào)試和修改，均需要DSP 擴展一片存儲器。這里選用CYPRESS 公司的256K×16 位的SRAM CY7C1041CV33，其讀寫周期時鐘最快可達12ns，因此可與DSP 進行零等待狀態(tài)接口，保證了DSP 的運算速度。

3 運動控制卡的配置

配置空間是 PCI 總線所特有的一個空間，其通常與接口芯片相關(guān)，包括一系列的PCI配置寄存器。PCI9052 的配置寄存器分為PCI 配置寄存器和局部配置寄存器，兩者都可以由PCI 總線和串行EEPROM 訪問。

3.1 PCI 配置寄存器及其配置

在 PCI 配置寄存器中的設(shè)備ID、制造商ID、版本號、首區(qū)類代碼、類別代碼、指令寄存器和狀態(tài)寄存器等在所有的PCI 設(shè)備中都必須實現(xiàn)。操作系統(tǒng)通常使用其內(nèi)容來決定為該PCI 設(shè)備加載驅(qū)動程序。此外，PCI 配置寄存器還提供6 個基地址寄存器，其中BASE0 和BASE1 是分別映射到內(nèi)存和I/O 的基地址，可固定用于對PCI9052 的寄存器操作。而BASE2~BASE5 最多可訪問局部端所接的4 個設(shè)備，實現(xiàn)其局部地址空間的訪問。PCI 總線對局部端設(shè)備的局部地址映射是通過1 個寄存器組(包括PCI 基地址寄存器、局部范圍寄存器、局部基地址寄存器和局部總線區(qū)域描述符)來實現(xiàn)的。它定義了每個空間及其特性，并將局部端設(shè)備通過局部端地址翻譯為PCI 總線地址，即將本地設(shè)備映射到系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O端口。而片選信號寄存器則用來選定這些設(shè)備。這樣，用程序操作這一段內(nèi)存(或I/O)實際上就是對本地設(shè)備的操作。這些寄存器的內(nèi)容必須在設(shè)備復(fù)位時通過串行EEPROM 加載。

3.2 局部配置寄存器及其配置

在這里，選取 LAS0(Local Address Space 0)訪問局部端雙口RAM，與其相關(guān)的寄存器為LAS0 范圍寄存器、LAS0 局部基地址寄存器、LAS0 局部總線區(qū)域描述符和片選0 基地址寄存器。LAS0 范圍寄存器用于定義板卡上資源所占地址空間的大小。由于板卡需要2KB的內(nèi)存空間，而計算機預(yù)留了32KB 空間(即8000H)，因此寫入寄存器的值為0xFFFF8000H;LAS0 局部基地址寄存器用來定義板卡資源所占的基地址，它將其重新映射到PCI 地址空間中，以使PC 機能對板卡進行訪問。由于基地址必須是地址空間范圍的整數(shù)倍，又因局部地址空間位0 為使能位，因此，寫入寄存器的值為00008001H;LAS0 局部總線區(qū)域描述符用來定義地址空間0 的具體工作特性。由于板卡數(shù)據(jù)總線采用16 位，工作方式定義為不使能突發(fā)和不可預(yù)取，因此寫入寄存器的值為4043A1C0H;片選0 基地址寄存器用來確定片選信號有效的地址范圍，其既確定了片選信號的基地址又確定了片選信號的地址范圍。

這里控制卡采用PCI9052 的CS0#作為雙口RAM 的片選信號，則其起始地址和地址范圍都可由片選0 基地址寄存器設(shè)置。由于雙口RAM 容量為2KB，因此設(shè)置CS0#基地址寄存器的第11位為1，又局部總線端空間0 的基地址是0x00008000H，為方便尋址，將CS0#的基地址和局部總線端空間0 的基地址設(shè)為同一值。由于基地址(8000H)是CS0#地址范圍的16 倍，所以將CS0#基地址寄存器的第16 位設(shè)為1，再將位0 設(shè)為1 使能，這樣寫入片選0 基地址寄存器的值為0x00008401H。當(dāng)PC 機尋址時，地址映射到局部總線端的空間0，從其基地址開始的2K 空間落在CS0#基地址寄存器所設(shè)置的范圍內(nèi)，CS0#端則有效，可對雙口RAM各單元進行讀寫，這樣就不必根據(jù)地址譯碼得到片選邏輯，簡化了硬件設(shè)計。此外，PCI9052提供兩種中斷源，即硬件和軟件中斷。這里板卡使用其提供的2 個局部中斷中的一個，即LINTi1 引腳，通過設(shè)置中斷控制/狀態(tài)寄存器(INTCSR)實現(xiàn)，并生成PCI 中斷INTA#方式。

4 驅(qū)動程序的開發(fā)

為了從 PCI 總線配置寄存器中獲得上位機動態(tài)分配的映射基地址，并對映射端口進行讀寫，必須編寫驅(qū)動程序。編寫時可以使用DDK，但是難度較大，需要做很多通用的基礎(chǔ)性工作。為簡化驅(qū)動程序開發(fā)，可以采用NuMega 公司開發(fā)的DriverStudio 中的DriverWorks工具包進行WDM 驅(qū)動程序設(shè)計。由于其被嵌入到VC 中，因此可更方便的用于開發(fā)和調(diào)試驅(qū)動程序。實踐表明，DriverStudio 并沒有通過犧牲系統(tǒng)性能來換取驅(qū)動程序的快速開發(fā)。