運(yùn)動控制技術(shù)是制造自動化的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其水平高低是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，研究和開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器是當(dāng)前運(yùn)動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。隨著集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動控制器已從以單片機(jī)和微處理器作為核心的運(yùn)動控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動控制器，發(fā)展到了基于PC機(jī)平臺的以數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為核心處理器的協(xié)處理架構(gòu)的開放式運(yùn)動控制器。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、開放程度高、運(yùn)動軌跡控制精確等優(yōu)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)概述
該四軸運(yùn)動控制器系統(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)動軌跡規(guī)劃；FPGA完成運(yùn)動控制器的精確插補(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路脈沖量信號輸出；4路脈沖方向信號輸出；4路驅(qū)動復(fù)位信號輸出；4路驅(qū)動使能信號輸出；4路差分編碼信號輸入；4路驅(qū)動報警信號輸入；8路正負(fù)限位信號輸入；4路原點(diǎn)信號輸入；16路通用數(shù)字量。I/O。
2 DSP模塊設(shè)計
DSP根據(jù)從上位機(jī)接收的運(yùn)動模式和運(yùn)動參數(shù)實時計算規(guī)劃位置和規(guī)劃速度，生成所需的速度曲線，實時的輸出規(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)動控制器而設(shè)計的?？赏ㄟ^外部存儲器接口XINTF擴(kuò)展外部存儲器。DSP外圍模塊設(shè)計如圖2所示。
為增強(qiáng)抗干擾性，DSP通過以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與上位機(jī)連接，RTL8019AS內(nèi)部含有一個16KB的SDRAM，DSP通過外部存儲器接口對其進(jìn)行讀寫來接收上位機(jī)的命令或向上位機(jī)傳送反饋信號。在數(shù)據(jù)處理過程中要占用大量的存儲空間，DSP內(nèi)部僅含有18K×16b的SARAM和128K×16b的FLASH，存儲空間顯得過小，所以通過外部接口擴(kuò)展了256K×16b RAM和512K×16b FLASH，RAM和FLASH芯片分別選擇IS61LV25616 AL、SST39VF800，它們都具有接口簡單、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)。SCI模塊用于擴(kuò)展RS 232串行通信接口，串口芯片使用MAX3232。
運(yùn)動控制器所需電壓為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。
3 FPGA模塊設(shè)計
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數(shù)位置進(jìn)行比較，獲得跟隨誤差，并通過伺服控制算法得到實時的控制量，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個邏輯單元(LEs)，182個用戶I/O口(項目中使用了157個I/O口)，165888b的內(nèi)部RAM，嵌入了18b的乘法器，每個乘法器又可拆成2個9b的乘法器，芯片內(nèi)部含有2個鎖相環(huán)(PLL)，8個全局時鐘(Global Clocks)。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
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)動器時，DSP使用兩個事件管理器進(jìn)行PWM波的控制，當(dāng)輸出模擬量時，DSP使用GPIOA/GPIOB向FPGA輸出規(guī)劃位置。
3.2 模擬信號輸出電路設(shè)計
采用D/A轉(zhuǎn)換器AD669進(jìn)行模擬信號的輸出，AD669具有兩級鎖存，在設(shè)計中，將其四路D/A芯片的第一級鎖存處于透明狀態(tài)，第二級鎖存控制信號LDAC連在一起，當(dāng)四路D/A芯片的數(shù)據(jù)預(yù)裝好后，打開第二級鎖存，四路D/A芯片即可同時轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了四軸驅(qū)動的同時控制。
3.3 脈沖信號輸出電路設(shè)計
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”。由于差分信號對外部電磁等信號有很好的抗干擾性，特別是對共模干擾有很好的抑制作用。所以脈沖經(jīng)過光耦隔離后，再將信號接入差分線驅(qū)動器AM26LS31后輸出，差分線驅(qū)動器AM26LS31的作用是將輸入的單極性方波信號轉(zhuǎn)化為一對極性相反的電機(jī)驅(qū)動信號。
3.4 編碼反饋電路設(shè)計
電機(jī)編碼信號直接傳入電機(jī)驅(qū)動器中，電機(jī)驅(qū)動器將三對差分編碼信號A+，A-，B+，B-，N+，N-作為反饋傳給運(yùn)動控制器。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，所發(fā)出的編碼信號會出現(xiàn)非常多的毛刺，并且經(jīng)過驅(qū)動器大電源的干擾，如果直接接到FPGA中，可能會引起誤判斷，所以先將三對編碼信號經(jīng)過差分芯片AM26LS32轉(zhuǎn)化成單路信號A，B，N后再接入FPGA中。芯片AM26LS32功能是將輸入的一對極性相反的編碼器差分信號轉(zhuǎn)化成單極性的脈沖信號，與AM32LS31正好相反。
3.5 開關(guān)量接口和通用I/O電路設(shè)計
輸出信號包括復(fù)位信號和使能信號，由FPGA產(chǎn)生，經(jīng)光耦隔離后直接輸出；輸入信號包括驅(qū)動報警信號，正負(fù)限位信號和原點(diǎn)信號，這些信號經(jīng)光耦隔離、電平轉(zhuǎn)換后再由FPGA接收，當(dāng)FPGA檢測到這些信號后，確定具體的觸發(fā)信號，做出相應(yīng)的反應(yīng)。另外運(yùn)動控制器還提供了八路數(shù)字量輸入通道和八路數(shù)字量輸出通道，輸入、輸出通道都經(jīng)光電隔離，以提高抗干擾性。
4 網(wǎng)口模塊設(shè)計
DSP通過以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與上位機(jī)連接，RTL8019AS在一塊芯片上集成了RTL8019AS內(nèi)核和一個16KB的SDRAM存儲器，兼容RTL8019AS控制軟件和NE20008b或16b傳輸，其接口符合Ethernet2和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。RTL8019AS與主機(jī)的接口模式有三種模式：跳線模式，PnP模式，RT模式。此運(yùn)動控制器使用便于DSP應(yīng)用的跳線模式。DSP與RTL8019AS的連接如圖4所示。
(1)數(shù)據(jù)總線和地址總線。RTL8019AS的數(shù)據(jù)總線和DSP的16位數(shù)據(jù)總線直接相連即可。RTL8019AS片內(nèi)NE2000寄存器組都是通過其映射I/O端口進(jìn)行訪問，I/O端口共32個，地址偏移量為00H～1FH，把I/O基地址設(shè)為300H，則對應(yīng)的I/O端口尋址范圍為：300H～31FH。只需要10根地址線就可以對I/O端口進(jìn)行尋址，把SA10～SA19接低電平，SA0～SA9按照表1接法即可。
由表1可以看出，只需要5根地址線就可以尋址32位I/O端口，所以可以直接把SA9，SA8接高電平，SA5～SA7接低電平，SA0～SA4與DSP的低5位地址線XA0～XA4相接。
(2)控制總線。RTL8019AS片選信號AEN使用DSP的擴(kuò)展片選信號，IORB、IOWB直接與DSP的讀寫控制信號相連，中斷輸出引腳INT0與DSP的XINT2相連，高電平有效的復(fù)位輸入引腳與監(jiān)控電路芯片SP708的RST相連，當(dāng)DSP復(fù)位時，RTL8019AS也復(fù)位。
(3)RTL8019AS與網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口。RTL8019AS可以使用同軸電纜或雙絞線作為傳輸媒介，將其AUI接口接地或懸空，使用BNC接口。BNC接口方式支持8線雙絞線或同軸電纜。20F001N是雙絞線驅(qū)動器，為耦合隔離變壓器模塊，通過它可以去除因電路數(shù)字特性導(dǎo)致的高次諧波。RTL8019AS與20F001N的連接如圖4所示。其差分輸入信號TPIN+、TPIN-與差分輸出信號TPOUT+、TPOUT-分別與20F001的對應(yīng)引腳相連。
5 結(jié)語
在PC平臺下，充分利用了DSP的數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的硬件特性，使系統(tǒng)既能進(jìn)行復(fù)雜的軌跡規(guī)劃、高速插補(bǔ)，又能保證運(yùn)動控制器的穩(wěn)定性和精確性，這種運(yùn)動控制器能應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)器人制造等控制領(lǐng)域。