基于DSP的運動控制器的開發

　運動控制器是一種用于多種運動控制場合的上位控制單元，通常采用專業運動控制芯片或高速DSP來控制步進電機或伺服電機。運動控制器與PC機構成主從結構。PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控工作；控制器完成運動控制的細節。運動控制器配有庫函數供用戶調用，這種開放的結構能夠廣泛應用于制造業中設備自動化的各個領域。

　　1 系統的構成與工作原理

　　1．1 系統的構成

　　系統構成如圖1所示，包括電源轉換模塊、DSP外圍電路、脈沖輸出電路、編碼器信號采集和處理電路、D／A輸出電路和DSP-PC機通信電路等。核心微處理器采用美國TI公司的16位定點DSP芯片TMS320LF2407A。

　　1．2 系統的工作原理

　　本系統由上位機通過雙端口RAM把運動控制指令或控制參數傳遞給運動控制器的DSP，DSP根據采集到的PC機指令，通過位置控制和速度控制算法進行計算。然后將計算出的脈沖信號經脈沖驅動送電機驅動。

　　2 系統的硬件電路描述

　　系統硬件電路主要包括電源轉換模塊、DSP及外圍電路、擴展存儲器電路、脈沖輸出電路、編碼器信號采集和處理電路、D／A輸出電路和DSP-PC機通信電路等。控制器板卡使用Altera公司的可編程邏輯器件MAXⅡEPM570實現數字邏輯電路設計，降低了板卡的設計尺寸，增加了板卡的可靠性和設計靈活性，它的在線編程特性可使得數字邏輯設計、硬件設計，如同軟件設計一樣簡便。

　　2．1 電源轉換模塊

　　TMS320LF240A是低功耗芯片，采用3．3 V供電，本設計采用Bay Linear Inc公司生產的電源轉換芯片B1117提供。

　　2．2 DSP接口電路

　　2．2．1 時鐘信號

　　選擇16MHz的有源晶振作為外部時鐘信號源，從DSP的XTAL1／CLXIN腳輸入，經PLL1和PLL2倍頻成32 MHz信號，供DSP使用。因而TMS320LF2407A的速度可達到3 1 ns，管腳XTAL2懸空。同時，16 MHz的有源晶振也是CPLD器件MAXⅡ570的外部時鐘信號源。

　　2．2．2 串行EEPROM接口電路

　　TMS320LF2407A引導ROM為用戶提供兩種選擇：同步傳輸通過串行外設接口(SPI)實現；異步傳輸通過串行通信接口(SCI)來實現。程序代碼可以加載到用戶指定的位置。為了有效的引導ROM和加載，本設計將MP／MC#引腳拉低，從而使DSP工作于微控制器模式。

　　2．2．3 擴展RAM電路

　　TMS320LF2407A有1．5 kB的數據／程序RAM，544 bit雙口RAM(DARAM)和2 kB的單口RAM(SARAM)，但是考慮到所需的程序存儲空間和數據存儲空間較大，在DSP外部用一片CY62136V作為外存儲器，該芯片是128 kB×16 bit的存儲器，其中64 kB作為數據存儲器，其余64 kB作為程序存儲器空間。

　　2．2．4 外部I／O信號處理

　　通過管腳引入的硬件中斷，包括軸限位中斷和編碼器INDEX信號中斷。8個限位中斷信號通過光耦隔離后接入CPLD，經CPLD相與后接入DSP中斷管腳XINT1，同時這些信號與DSP的I／O口相連。當某一軸運動到限位開關處時，就會觸發DSP的外部中斷信號XINT1，然后DSP就可以判定哪個限位開關已經到位。光耦器件選用Toshiba公司的貼片光耦TLP121，它的平均輸入驅動電流為50 mA，平均輸出驅動電流為5 mA，可直接驅動TTL電路。

　　2．3 脈沖輸出電路

　　每一軸的兩個信號輸出口PLUSE+和PLUSE-可用來輸出脈沖和方向信號，這兩個輸出口可以由程序設定為CW／CCW雙脈沖模式或脈沖方向輸出模式，用戶可以設定J4～J11跳線來設定脈沖為差分輸出或者單端輸出兩種方式。

　　2．4 D／A轉換輸出電路

　　數模轉換電路的核心芯片采用BB公司生產的12位4路電壓輸出的數模轉換芯片DAC7625。DAC的片選信號由DSP的DS，PS，IS，STRB，R／W#，WE#，A0，A1，A2，A3，A11經過譯碼得到。DAC的4個通道在DSP中的I／O地址為：0000 H，0001 H，0002 H，0003 H，DAC傳送寄存器地址為0004 H。

　　2．5 編碼器電路

　　該編碼器信號處理電路是針對增量式脈沖編碼器產生的信號進行處理。為消除外部驅動器大電源的干擾，3對信號經過光耦進行隔離。利用DSP事件管理器中的正交編碼脈沖(QEP)電路，對引腳上的脈沖數目和頻率分別解碼和計數。

　　2．6 DSP-PC機通信電路

　　這里選用美國IDT公司生產的雙口RAM芯片IDT71 V321，該芯片均提供兩個帶有自身的控制、地址和I／O引腳的獨立端口，它允許獨立地讀寫存儲器中的任何電源。IDT71V321帶有片內硬件端口仲裁電路，可以允許雙機同步地讀或寫存儲器中的任何單元，同時保證數據的完整性。它的競爭原則是：(1)左右兩端口的地址信號同時到達，那么誰的CE片選信號先到，慢的一方BUSY線下拉，直到快的一方訪問完畢；(2)左右兩端口的片選信號同時到達，那么誰的訪問地址信號先到，慢的一方BUSY線下拉，直到快的一方訪問完畢。將IDT71V 321的左側信號按普通接法和DSP相接。當DSP發出讀/寫IDT71V321的命令時，IDT71 V321鎖存左邊的BUSYL信號，將此信號送到DSP。若BUSYL信號為1，則表示DSP剛才讀IDT71V321不存在沖突，讀／寫有效；若為0，則說明DSP剛才對IDT71V 321的讀／寫存在沖突，本次讀／寫無效，DSP要重新操作。PC機對接口的尋址方式里采用L／O尋址方式，使用的控制線為IOW和IOR。

3 軟件程序設計及流程

　　整個運動控制系統程序主要包括EEPROM引導程序和DSP主程序兩部分。其中，Flash引導程序的作用是把系統程序從片外低速EEPROM傳送到片外高速RAM中運行，在運動控制卡的硬件調試階段，程序規模比較小，程序可以存放在片內的。Flash中，這樣則不需要引導程序，直接在片內運行程序。系統程序主要由主程序、讀寫雙口RAM程序、脈沖輸出程序、插補程序和加減速控制程序組成。主程序調用各子程序，進行與上位機的通信、I／O、QEP、定時器及中間寄存器的初始化、設置中斷標志、讀取計數器的值、計算各控制量、積分平滑等功能。當發生中斷時，調用相應中斷程序，并修改或重置標志位。

　　圖2所示為DSP主程序的流程圖。主CPU使用硬件復位控制DSP的復位操作，DSP復位后運行片內ROM或加載到RAM中的系統主程序。DSP主程序由初始化程序、時鐘循環等待中斷程序組成。初始化程序完成所有變量的初始化，復位全部外設和關閉所有輸出。之后進入循環和等待中斷的過程，檢測到主機命令之后，讀取命令并根據系統需要調用相應的處理程序。命令處理完后再進入循環等待狀態，命令處理程序是實現運動控制器功能的關鍵程序，包括運動控制的算法，速度控制、位置控制等功能的實現，還包括完成數據寫入和讀取等功能，同時對外部中斷進行處理。當上位機給運動控制卡發送控制命令時，DSP首先讀取主機發送來的軸的目標位置，根據速度控制的模式設定指令選擇相應的速度控制算法，同時查詢外部事件，如有事件發生，執行相應的處理程序。接著就可以送出軸的控制輸出，檢測各軸是否都完成運動(判斷軸狀態寄存器完成標志位)，完成則推出命令處理程序，否則繼續執行。

　　4 結束語

　　運動控制器的硬件設計需要注意：如抗干擾、外圍電路的速度與DSP的實時性能匹配問題。這些問題相互影響，要確定一個正確的電路結構和合理的PCB布線，需要大量的實際經驗，因此在電路結構方面仍有待改進，使之更適應穩定、高速的控制要求。對控制軟件的改進主要包括以下兩方面：

　　(1)完成上位機上接口函數、運動控制函數庫和上層調試環境的設計、編寫NURBS數學處理程序，在運動控制器內部實現不同的插補算法，建立運動控制器的操作平臺和完善的人機交互功能，使得運動控制器具有更強大的控制性能和更容易編程；

　　(2)對伺服電機的控制只提供了硬件上的支持，在軟件上需要對光電編碼器的反饋信號進行分析，計算出與給定位置的誤差，再通過軟件PID算法調節器獲得位置控制量來控制伺服系統。