基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制器的研究與開發(fā)

1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)

本運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個(gè)模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心 模塊和 CPLD 驅(qū)動(dòng)與擴(kuò)展模塊；通信接口模塊，包括 PCI 總線、USB 總線和串口；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲(chǔ)器模塊，包括 SRAM 和 FLASH。本運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 DSP+CPLD 主控模塊

本系統(tǒng)采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 為控制核心，這是工業(yè)界首批 32 位的控制 專用、內(nèi)含 FLASH 以及高達(dá) 150MHz 主頻的數(shù)字信號(hào)處理器，專門為工業(yè)自動(dòng)化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。TMS320F2812 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間；具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)地處理許多復(fù)雜的控制算法；片上內(nèi)存豐富，可支持45 個(gè)外設(shè)級(jí)中斷和 3 個(gè)外部中斷，提取中斷向量和保存現(xiàn)場只需 9 個(gè)時(shí)鐘周期，響應(yīng)迅速； 片上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，包括兩個(gè)事件管理器（EV）、12 位 A/D、兩個(gè)串行通信接口（SCI）、一個(gè)串行外圍接口（SPI）以及一個(gè)多通道緩沖串行接口（McBSP）等；其通用輸 入/輸出多路復(fù)用器（GPIO）擁有多達(dá) 56 個(gè) I/O 口，在系統(tǒng)的軟件開發(fā)中正是利用了這些豐富的內(nèi)外設(shè)資源，才實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的各種功能。

本系統(tǒng)中選用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 系列的 EPM3128，這是一款高性能、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系統(tǒng)的控制對象是步進(jìn)電機(jī)，所以設(shè)計(jì)中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口進(jìn)行電機(jī)控制接口與 I/O 接口的輸入輸出，但是由于 TMS320F2812是低功耗處理器，其 GPIO 引腳的輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，而且由于 DSP 是主控核心，負(fù)載比 較多，所以將所有輸出信號(hào)都經(jīng)過 CPLD 驅(qū)動(dòng)后輸出，提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。此外，CPLD還用于系統(tǒng)電路的譯碼，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。

1.2 通信接口模塊

本系統(tǒng)在用作插卡式運(yùn)動(dòng)控制時(shí)利用 PCI 總線實(shí)現(xiàn) DSP 與 PC 的通信。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯(lián)）總線是 Intel 公司聯(lián)合其他 100 多家公司于 1992 年推 出的基于新一代處理器的一種局部總線，是一種高性能 32/64 位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線，能為 CPU 及外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)。PCI 總線具有嚴(yán)格的規(guī)范，目前已經(jīng)發(fā)布了 PCI V1.0 和 V2.1規(guī)范，保證了其良好的兼容性；PCI 總線與 CPU 無關(guān)，與時(shí)鐘頻率也無關(guān)，可適用于各種平臺(tái)，支持多處理器和并發(fā)工作；PCI 總線可以提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，還具有良好的擴(kuò) 展性。因此，PCI 總線在基于計(jì)算機(jī)總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。

本系統(tǒng)選用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)和 DSP 之間的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控制器，它是基于應(yīng)用層編程的接口器件，相對于其它基于 鏈路層編程的接口器件，使用和開發(fā)都很方便。本系統(tǒng)采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模塊以及 MAX232 芯片轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn) RS-232 的通 信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正常的串口通信。

1.3 I/O 輸入輸出接口模塊

本系統(tǒng)的輸入/輸出是通過 CPLD 的邏輯控制來實(shí)現(xiàn)的，以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設(shè) 計(jì)柔性?？紤]到運(yùn)動(dòng)控制器的可擴(kuò)展性以及 DSP 的 GPIO 引腳的數(shù)量，共設(shè)計(jì)了 16 路數(shù)字量輸出通道和 16 路數(shù)字量輸入通道。數(shù)字量輸出通道主要用于各軸方向、脈沖信號(hào)的輸出以及一些外部設(shè)備的啟?？刂?，如主軸及冷卻液的開關(guān)控制等；數(shù)字量輸入通道可根據(jù)用戶 具體要求來定義其用途，如作為傳感器接口，用于零點(diǎn)、限位信號(hào)的輸入等。為提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，系統(tǒng)輸出采用了普通輸出和差分輸出兩種方式，具體使用可由用戶自行設(shè)定。

1.4 外圍存儲(chǔ)器模塊

TMS320F2812 芯片內(nèi)部包括 128KB 的 FLASH 和 18KB 的 SARAM，其中 128KB 的FLASH 用來存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件程序已經(jīng)足夠，但是在實(shí)際使用中，考慮到運(yùn)動(dòng)控制指令和加工程序需要通過 USB 總線或 PCI 總線下載到運(yùn)動(dòng)控制器中，且 DSP 在工作過程中需要處理大 量的數(shù)據(jù)，僅依靠 DSP 芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以考慮外擴(kuò)一片 FLASH 和一片SRAM 作為用戶加工程序存儲(chǔ)器和系統(tǒng)的工作存儲(chǔ)器，它們通過 CPLD 完成與 DSP 之間的讀寫操作。

本系統(tǒng)選用了 Intel 公司的 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8MB FLASH，其讀寫訪問時(shí)間為 150ns，此讀寫周期已經(jīng) 大于 DSP 對外部端口的讀寫周期，為了能夠和 DSP 的讀寫周期進(jìn)行匹配，在對 FLASH 進(jìn) 行讀寫操作過程中必須插入等待周期。IS61LV51216 是一種高速異步靜態(tài) 512KB 的 SRAM， 其讀寫周期為 10ns，與 DSP 之間可以無需插入等待周期便可以進(jìn)行讀寫操作，并可以直接映射到 DSP 外部存儲(chǔ)接口的 Zone2 或者 Zone6 區(qū)域。

2 運(yùn)動(dòng)控制器軟件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器通常作為一個(gè)獨(dú)立的過程控制單元用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，它的功能是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的硬件為軟件運(yùn)，行提供了支撐環(huán)境，軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的所有功能。本系統(tǒng)軟件需要完成控制和管理兩大任務(wù)，圖 2 表示的是其軟件功能結(jié)構(gòu)。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器軟件功能結(jié)構(gòu)圖

其中，系統(tǒng)的控制包括位置控制、插補(bǔ)、速度處理和開關(guān)量 I/O 控制等，這類任務(wù)的實(shí) 時(shí)性很強(qiáng)，所以軟件程序的優(yōu)先級(jí)也較高；系統(tǒng)的管理包括人機(jī)界面顯示、參數(shù)設(shè)置和程序 下載等，這類任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不高，所以軟件程序的優(yōu)先級(jí)也相對較低?？梢哉f，一個(gè)運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能均由上述功能的子程序?qū)崿F(xiàn)，通過增加子程序可進(jìn)一步增加系統(tǒng)的功 能。

要實(shí)現(xiàn)這些功能，必須做好運(yùn)動(dòng)控制器的軟件規(guī)劃，劃分各個(gè)功能模塊，才能在 DSP 芯片上設(shè)計(jì)運(yùn)行程序。本系統(tǒng)軟件主要分為兩個(gè)層次，包括 PC 層軟件和 DSP 層軟件，其中PC 層軟件在單板式運(yùn)動(dòng)控制中主要實(shí)現(xiàn)加工程序的傳輸和下載等功能；在插卡式運(yùn)動(dòng)控制中，除此之外，還需實(shí)現(xiàn)加工情況顯示、加工命令發(fā)送等人機(jī)交互界面的功能。 運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能由 DSP 層完成，本課題的主要任務(wù)也是 DSP 層軟件的程序?qū)崿F(xiàn)，具體包括：

1．運(yùn)動(dòng)控制 運(yùn)動(dòng)控制功能是運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能，包括位置控制、插補(bǔ)和輔助功能的輸入輸出I/O 控制。本系統(tǒng)基本功能是實(shí)現(xiàn) XYZ 三軸的運(yùn)動(dòng)控制，包括三軸聯(lián)動(dòng)的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)和任意兩軸圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，提供單脈沖（即脈沖＋方向）和雙脈 沖（即脈沖+脈沖）兩種控制方式。

2．速度控制 速度控制即調(diào)速，利用加減速算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)空行程時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度不小于 100KHz，加工過程中的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)速度不小于 40KHz；當(dāng)脈沖當(dāng)量為 2.5 微米時(shí)可達(dá)到的空行程和加工的最高速度分別為 15m/min 和 6m/min。

3．通信功能 運(yùn)動(dòng)控制器不是一個(gè)孤立封閉的系統(tǒng)，它必須和外界交換數(shù)據(jù)，主機(jī)通信主要完成兩個(gè) 任務(wù)：一個(gè)是程序的下載，另一個(gè)是控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋。根據(jù)單板式控制和插卡式控制兩種不同的應(yīng)用，分別有不同的通信方式。其中，在單板式控制中，通過 USB總線進(jìn)行程序下載而通過串口進(jìn)行控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋；在插卡式控制中，兩種任務(wù)都是由 PCI 總線來完成。本系統(tǒng)的多用性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在通信方式的不同上，支持PCI 總線方式、USB 總線方式以及異步串行總線方式，供用戶自由選擇。

4．參數(shù)設(shè)置 作為開放式運(yùn)動(dòng)控制器，應(yīng)該允許用戶對控制系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與修改。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將各參數(shù)存放在 FLASH 中，允許用戶通過人機(jī)界面對參數(shù)進(jìn)行修改，修改后的參數(shù)將在下次操作中起作用。

2.2 系統(tǒng)軟件層次設(shè)計(jì)

DSP軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思路，為使結(jié)構(gòu)清晰，整個(gè)系統(tǒng)軟件按功能群分割為多個(gè)文件分別處理和完成相應(yīng)的任務(wù)，主要分為三個(gè)層次：

1 主控層：不涉及具體操作，只負(fù)責(zé)各個(gè)任務(wù)調(diào)度、中斷安排、時(shí)間和優(yōu)先級(jí)處理等， 主控層只有一個(gè)文件 main.c，包括主函數(shù)和中斷函數(shù)，在主函數(shù)和中斷函數(shù)中調(diào)用算法層的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能。

2 算法層：負(fù)責(zé)具體任務(wù)執(zhí)行，控制算法實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的主要功能都在算法層實(shí)現(xiàn)，包 含的模塊由系統(tǒng)要求的各個(gè)功能來決定，算法層主要用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、速度控制和系統(tǒng)管理等功能，各模塊之間通過標(biāo)志位來聯(lián)系，不互相調(diào)用。

3 接口層：負(fù)責(zé)與硬件的接口，所有與外設(shè)有關(guān)的操作都在該層進(jìn)行處理，接口層中 包括 DSP 硬件資源的定義、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動(dòng)等。除接口層外，系統(tǒng)其它層的程序禁止直接對外設(shè)進(jìn)行操作，接口層直接對外設(shè)進(jìn)行操作的函數(shù)盡可能做到功能完善。 綜上所述，本系統(tǒng)根據(jù)以上功能和層次進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)并遵循以下原則：

（1）全局性：盡量保證系統(tǒng)各模塊負(fù)載均衡；

（2）正確性：數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密，盡可能利用試驗(yàn)驗(yàn)證；

（3）結(jié)構(gòu)化：軟件設(shè)計(jì)做到層次化、模塊化、封裝化；

（4）規(guī)范性：保證程序的易讀性、移植性和可維護(hù)性。

3 小結(jié):

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)控制是數(shù)控技術(shù)的核心，近年來，隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展， 開放式運(yùn)動(dòng)控制器也得到了前所未有的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類標(biāo)準(zhǔn)部件，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并形成了令人矚目的市場規(guī)模。本文介紹了運(yùn)動(dòng)控制器的總體設(shè)計(jì)方案，包括運(yùn)動(dòng)控制器的硬件平臺(tái)以及軟件設(shè)計(jì)思路。