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山东大学硕士学位论文 基于通用串行总线的嵌入式多轴控制器的开发 摘要 数控技术在工业控制中有泛的应用，基于p c 的控制器发展非常迅速。本 文提出了一种以p c 机微处理器+ d s p 为核心外移多轴控制器的结构形式，通过 高速通用串行总线实现多轴控制器与p c 的通讯。 在介绍了所研究课题的意义及背景后，本文首先对运动控制器的概念作了 较为详细的解释，并阐述了其技术特点，应用领域。 为了选择合适的多轴控制器的中央处理器，本文在对两类主要的控制器处理器 单片机m c u 和数字信号处理器d s p 芯片进行比较的基础上，详细分析了数字 信号处理器d s p 的特点、功能、选择、分类及应用，并将t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 确定作为控制器主控芯片，对其功能、特点作了说明。 随后，本文构建了所设计的嵌入式多轴控制器系统的硬件框架。通过功能 框图、特点描述，明确了设计流程。 通过对常用计算机现场总线接口格式、传输速度、传输长度等参数的比较， 确立了以i e e e l 3 9 4 火线、u s b l 1 通讯接口之一作为通讯方式，详细介绍分析二 者的定义、特点、传输方式、功能、软件功能设计和优缺点，并根据不同得需 求，选择了不同的芯片，并给出了各种芯片与控制器主c p u 的连接原理图。 在绘制功能原理图的基础上，通过对实验板的调试，本文将整个系统硬件 的开发作了详细的说明：时钟、复位、看门狗、r a m 、电源检测电路的芯片选型 及设计：用于调试控制的显示、键盘、声光提示的原理说明；数模转换电路的 设计以及芯片的特点：数字量及电机输入输出的控制的方法；c p l d 的芯片的功 能、选型、特点及原理图设计等等。 最后，对软件设计和调试过程的常见问题进行了介绍和说明。 关键字：嵌入式系统通用串行总线多轴控制器 1 1 1 山东大学硕士学位论文 t h ed e v e l o p 脚 o fe m b e d d e dm u l t i - a x i sc o n t r o l l e rb a s e do nu s b a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r ia l c o n t r 0 1 p c b a s e dc o n t r o l l e ri sam a i nd e v e l o p i n gt r e n di nn c t h i sp a p e r p r o p o s e s a na r c h i t e c t u r e c o m p o s e d o f t h es t a n d a r dp c p l a t f o r m a n d d s p b a s e do u t b o xm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r 0 1 1 e r t h ep ca n dm u l t i - a x i s c o n t r o l l e ra r ec o n n e c t e dv i au i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) a f t e r i n t r o d u c i n g t h e b a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h ep r o j e c t ，t h e p a p e re x p l a i n s t h e c o n c e p t s o fm o t i o nc o n t r o l l e ra n de x p o u n d si t s t e c h n i c a lf e a t u r e s ，a p p li c a t i o n s ，d e v e l o p m e n ta n dd e s i g nd i v e r s i t i e s i no r d e rt oc h o s s ea na p p r o p r i a t ep r o c e s s o rf o rm u l t i a x i sc o n t r o l l e r f r o mv a r i o u sm i c r o p r o c e s s o r s ，t w om a i np o p u l a rc a t e g o r i e so f c o n t r o l l e r s ， s i n g l ec h i pc o n t r o l l e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，h a v eb e e n c a r e f u l l y e x a m i n e d t h e e m p h a s i s i s p l a c e d o nt h ed s p s f e a t u r e s ， f u n c t i o n s ，s o r ta n da p p l i c a t i o n a n df i n a l l yi ti sd e c i d e dt oa d o p tt h e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o ft ia st h em a inc o n t r o ll e rc p u t h e nah a r d w a r ef r a m eo ft h ed e s i g n e de m b e d d e dm u l t i - a x i sc o n t r o l l e r is s t u d i e d ，a n dad e s i g np r o c e s si ss p e c i f i e dt h r o u g hf u n c t i o nc h a r t s a n df e a t u r ed e s c r i p t i o n t h r o u g hc o m p a r i n g m a i nc h a r a c t e r s1i k ei n t e r f a c e f o r m a t ， t r a n s m is s i o nr a t ea n dd i s t a n c eo fp o p u l a rc o m p u t e rs e r i a lc o r m u n i c a t i o n jn t e r f a c e s ，w ed e c i d et oc h o o s e o n eo fu s ba n di e e e l 3 9 4b u s e sa s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h ep ca n dm u l t i a x i sm o t i o n c o n t r o l l e r ac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na n da n a l y s i sh a sb e e ng i y e na b o u t t h e i r d e f i n i t i o n s ，f e a t u r e s ，t r a n s m i s s i o nm o d e s ，f u n c t i o n s ， s o f t w a r e f u n c t i o n d e s i g n ，a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e t h e s c h e m a t i ce i r c u i t d i a g r a m s h a v eb e e n d e s i g n e d b e t w e e nt h ed s pa n di n t e r f a c ed e v i c e s ， s e l e c t e db yd i f f e r e n tr e q i u r m e n t s b a s e do ns c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a m sa n dd e b u g g i n go nt h et e s tb o a r d ， t h eh a r d w a r es y s t e md e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e di nd e t a i l ：c l o c k ，r e s e t ， i v 山东大学硕士学位论文 w a t c hd o g ，r a m ，s u p p l y d e t e c t i n gi c ，h u m a n i n t e r f a c e s u c ha sl c d a n d k e y b o a r d ，t h ec i r c u i td e s i g no fd a ca n dt h ef e a t u r e so ft h ec h i p ，d i g i t a l i n o u ta n dm o t o rc o n t r o lc i r c u i t c p l dt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t ot h i s s y s t e mt os i m p i f yt h eh a r d w a r ea n de n s u r e st h es a f e t yo ft h es y s t e m a s i m p l ei n t r u d u c t i o n i s d e p i c t e da b o u tt h ef u n c t i o n ，s e l e c t i o na n d a p p l i c a t i o nd e s i g no fc p l d a t l a s t ，t h ec o m m o np r o b l e m s ，w h i c hm a yc o m ea c r o s si nd e s i g na n d d e b u g g i n go fs o f t w a r e ，a r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d k e y w o r d ：e m b e d d e d s y s t e m ：u n i v e r s a l s e r i a lb u s ：m u l t i a x e s c o n t r o l l e r v 原创生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 骂，囊 论文作者签名：璺二基 日 期：2 q q 3 生5 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 骂，夏 论文作者签名：璺= 基导师签名：竖壅整日 期：2 q q 3 生5 旦 山东大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的提出及意义 数控技术是机械制造自动化的基础，它是随着科学技术和社会生产的发展而 逐步发展起来的。数字控制控技术是先进制造技术的基础和核心，反映了一个国 家制造技术的水平和工业水平。 数控机床对国民经济发展和国家安全具有极其重要的意义。数控机床使军、 民用机械工业及整个制造业发生了革命性的变化，使产品质量与性能、产品开发 和更新换代的速度、交货期以及劳动生产率、经济效益等达到一个崭新的水平。 它既是高新技术产业不可缺少的基础装备，又是传统产业实现产业升级的重要手 段，对整个国民经济产生重大而深刻的影响。数控系统作为数控机床和机器人的 一个核心部件是各国竟相发展的高新技术，其技术复杂，难度大，是我国的一个 薄弱点。没有一个自己的产业化数控系统产品是影响我国数控机床产业发展的根 本原因。因此研究开发可与国外名牌产品竞争的国产化数控系统并实现产业化是 振兴我国数控机床产业的关键“。 机械产品日趋精密复杂，尤其在航天、军事和计算机工业中，其零件精度高， 形状复杂，批量小，使得采用传统普通机床加工困难、生产效率低、劳动强度大、 精度难以保证。传统的运动控制系统由于其本身的特性限制已不能满足现代工业 和社会发展的要求。归纳起来，主要表现在以下几个方面。 封闭式结构。提供给用户的只是特定环境下的特定功能的目标作业，控制系 统的内部包括控制算法和底层的接口等对用户是一个“黑箱”。这种结构不便于 对系统的功能进行扩展和改进，同时也不便于对系统资源的共享和再利用，因而 造价高。 控制软件的兼容性差。软件的结构依赖于处理器硬件，难于在不同的系统间 移植，同时也不便于软件的升级或更新。 系统硬件结构封闭、专用、复杂，为提高系统的性能，常为多c p u 结构，与 标准的p c 平台不兼容，难以借用p c 技术的进步而更新升级。 网络功能弱，与外部的交互能力差。传统数控系统大多只有r s 一2 3 2 c 串行通 讯接口，速度只有几十k b p s ，这不便于与外部的信息交互，是车间信息化和网 络化的瓶颈。 针对传统运动控制系统的这些缺陷，研究和开发具有开放式结构的高性能运 山东大学硕士学位论文 动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方向，越来越得到世界各国学者的 广泛关注。 美国在八十年代末提出了开放式数控系统的概念。开放式数控系统具有开放 柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入日新月异的p c 软硬 件技术等优点，是二十一世纪数控技术的必然发展方向。而多轴运动控制器在j 1 ： 放式数控系统扮演着重要的角色。以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩 短新产品的研制开发周期，有利于使用者创造自己的品牌产品。目前，由于以 d s p 为代表的高速高性能专用微处理器的出现和p c 机的广泛普及，开放式运动 控制器的发展趋势是以d s p 芯片作运动控制处理器，以p c 机作为信息处理平台， 这样将p c 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力 有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通 用性好的特点。采用运动控制器的数控系统将成为新一代数控技术发展潮流，运 动控制器将成为未来数控系统的核心。因此，自主开发一款基于p c 的具有高速、 高精度、使用灵活的多轴运动控制器，不但克服了传统封闭式数控系统的局限性， 而且实现了可扩展的软硬件模块化功能的开放式数控系统，对数控技术的发展具 r 口 有重要的意义“。 1 2 运动控制器的特点及发展现状 1 2 1 概念 运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行速度和位置控制，以 实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有位置和速度控制的应用场合就离 不开运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生 产设备焕发出勃勃生机。数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数 控系统。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应 用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如电子机 械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。目前开放式数控技术的主要形 式就是采用“p c + 多轴运动控制器”，不仅具有信息处理能力强、开放程度高、 运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造 的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称为新一代的工业控制器，日本 称其将带来第三次工业革命，并预测其应用将和现在的p l c 一样普遍“。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 特点 与传统的数控装置相比，实现开放性、互换性、可移植性和扩展性是运动控 制技术的主要研究内容，具有以下特点： 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置 的换代产品； 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求 的控制系统； 操作简单，在p c 机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的 数控软件。 能方便地与机床、机器人等被控设备联接； 一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和轨迹伺服 控制，从软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能； 用它可以迅速、便捷地建立高层应用程序与机床、机器人等设备的控制、测 试及数据交换，开发使用简单； 由于它采用开放化的技术，具有维护、扩展、升级方便的特点。 1 2 3 应用 采用”p c + 运动控制器”的开放式系统在我国广泛应用和推广，对于我国各类 机电一体化控制设备的升级，提高我国装备工业水平将起到促进作用。浚技术可 以广泛应用于各行各业，具有非常好的发展前景和经济效益。如： 食品加工：食品包装，家禽修整加工，精密切肉机； 航天：天线定位控制，空间摄影控制，激光跟踪控制，天文望远镜； 机床：无心磨床，e d m 机床，激光切割机床，铣床，冲压机床，快速成型机， 靠模铣床，螺纹机床，超声焊接机，水射流切割； 产业制造：粘胶配料，软管纺织机，绕线机，光纤玻璃拉伸机，龙门式输送 臂，玻璃净化炉，高速标签印刷机，标签粘贴机，包装机械，飞剪； 材料输送设备：纸板运送，输送机驱动，核反应棒拆卸搬运，包装系统，码 垛机； 医疗器械：人工咀嚼仿真器，血液分析仪，c a t 扫描仪，d n a 测试仪，测步 仪，医疗成像声纳，尿样测试仪； 半导体测试及加工：晶片自动输送，盒带搬运，电路板特型铣，i c 插装机， 山东大学硕士学位论文 晶片抛光机，晶片探测机，晶片切割机，引线焊接机： 测试及测量：座标检验，齿轮检验，键盘测试，来料检验，显微仪定位，p c b 测试，焊点超声扫描检查； 纺织机械：自动织袋机，地毯纺织机，珩缝机，纱绽卷绕机； 军事：白行火炮，坦克等武器的火控系统，车( 船) 载卫星移动通信，飞机 的机载雷达“。 1 3 本课题解决的问题 以往的运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即”p c + 运动控制卡”的模式。其缺 点是使用不灵活，p c 与被控制的功率放大模块之间距离太近，也容易引起干扰， 当控制轴数多时，往外引线多，布线困难，可靠性差。由于计算机通用串行总线 ( u s b ) 已经很普及，且速度越来越快，u s b l 1 的传输速率可达12 m b p s ，u s b 2 ，0 的传输速率达4 8 0 m b p s ，采用u s b 总线作为p c 与控制卡之间的通讯方式可以满 足一般控制系统的要求。因此，本课题提出了以通用串行总线为基础的多轴运动 控制系统，相对于传统的多轴控制，具有下列各项优点： 是p c 内部总线运动控制卡外移的一种形式，它将上位机p c 的优良性能与下 位机d s p 的实时特点完美的结合在一起。 u s b 是p c 的一个标准总线，这样采用标准p c ，不用开箱通过外扩多轴控制 卡和数控应用软件既可实现数控功能。使得控制器可以随处移动，便于人员 操作。 外移控制卡使得n c 的连线方便，只需要一根u s b 接口线，如果需要延长距 离，加上中继器即可。 成本低廉。 由于经过了详细的分析比较，采用的控制器主芯片在需要少量外扩芯片的基 础上，可以达到功能完善的实时控制任务，这使得硬件成本有所降低；另一方面， 由于将复杂的计算设计任务放在了上微机，则软件的开发过程要容易的多且时间 加快，这也带来了成本上的减少。 4 山东大学硕士学位论文 2 嵌入式多轴控制器的需求分析与总体设计 2 1 系统功能描述 数控系统是一个通用控制设备，从数控机床到产业机械都有它的应用范围， 这些设备对控制系统的要求各种各样，但大多系统都存在着多轴控制与联动、丌 关量i o 和过程量的检测与控制。本多轴控制器针对一般的应用系统，考虑控制 轴数不超过4 轴，具有一定开关量输入输出控制能力。其基本要求如下： 系统具有可以控制四轴( 一个主轴，三个进给轴) 的控制能力，每个控制电 路可控制交流伺服、直流伺服和步进电机等； 系统具有正交编码脉冲的捕获能力。正交编码脉冲是两个频率相同且正交 ( 相差9 0 度) 的方波。当它由电机轴上的光电编码器产生时，电机的旋转 方向可通过检测两个方波序列中的哪一列先到达来确定，角位置和转速可由 方波数和方波频率来决定。用a 、b 相代表正交的两列脉冲，z 相每转产生一 个脉冲。每个进给轴均有h o m e ( 原位) 、l i m i t + 及l i m i t 一开关、报警脉冲输 出等； 系统将具备2 4 路数字信号的采集能力及1 6 路数字信号的输出能力； 系统通过u s b 建立上位机p c 端与下位机器嵌入式多轴控制器的通讯： 系统将具有显示信息、键盘控制、看门狗等功能，还具有r s 2 3 2 、s p i 的通 讯功能； 系统将实现低功耗、小体积、干扰小； 集成度高，并且功耗低； 可执行各种复杂的多轴插补运动，带双闭环和误差补偿功能； 可做直线、圆弧、电子齿轮等复杂运动控制功能。 2 2 主控芯片c p u 的选型 任何以c p u 为主体构成的嵌入式控制系统，其c p u 的选择都是至关重要的。 c p u 不仅是整个控制系统的核心，完成系统主要功能的实施，其可靠性、易开发 性、价格等方面都需要仔细的斟酌。选择一款好的处理器对产品开发会起到事半 功倍的作用。 目前的大多控制系统，主要由单片机控制系统和d s p 控制系统。 山东大学硕士学位论文 2 2 1单片机的概念及主要特点 概念：把微型计算机的主要功能部件c p u 、程序存储器、数据存储器、输出 输入接口电路、定时器计数器、中断控制器、模数转换器、调制解调器等部件 集成在一个芯片上的单芯片微型计算机叫做单片机。单片机是s i n g l ec h i p r 1 m i c r o c o m p u t e r 的简称。也叫微控制器m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，即m c u ”。o 特点：片内存储量大；抗干扰能力强：容易扩展，控制能力强：有各种不 同性能的产品先满足不同的应用对象。 应用：在通信、测控、数据传输等领域，单片机的应用与单纯的高速海量 计算要求不同，它要求：直接面向对象，即针对某一控制对象而控制，而不是 用一套控制系统控制多处或多台应用体；嵌入到具体的应用体中，而不是以具 体的通用计算机的面目出现；高抗干扰，能在现场可靠的运行；体积小，满足 嵌入需要：软硬件结合，应用灵活；突出控制功能，特别是对外信息的捕捉要 快速、多样，并有丰富的i o 功能。控制技术的实践证明，同时满足这些要求 与满足海量高速数值计算的计算机两者是不可兼得的。 缺点：速度、运算能力、控制能力不如d s p 。 2 2 2 d s p 适合于实时控制系统的特点 接口方便：d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼 容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容 易得多； 编程方便：d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在丌发过程中灵活方 便地对软件进行修改和升级； 稳定性好：d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小 可靠性高： 精度高：1 6 位数字系统可以达到的精度； 可重复性好； 集成方便； 改进的哈佛机构，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 流水线操作采用硬件乘法器，一个指令内可以完成加法及乘法； 特殊的d s p 指令； 快速的指令周期； 山东大学硕士学位论文 良好的多机并行运行特性； 多种寻址方式： 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； 具有低开销或无丌销循环及跳转的硬件支持； 快速的中断处理和硬件i o 支持； 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行“。； 当然，d s p 也存在一定的缺点。例如，d s p 系统中的高速时钟可能带来高频 干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。此外，d s p 技术更新 的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然d s p 系统存在着些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、 图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 而就本课题提出的嵌入式多轴控制器而言，d s p 比单片机更符合要求。 2 2 3 d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选 择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用 目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应 考虑到如下诸多因素。 2 2 3 1 d s p 芯片的运算速度 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要 考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： 指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以n s ( 纳秒) 为单位。如 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 在主频为8 0 m h z 时的指令周期为1 2 5 n s ： m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一个指令 周期内完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的m a c 时间就是 1 2 5 n s ； f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算涉及的 运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片 山东大学硕士学位论文 运算能力的一个指标； m i p s ：即每秒执行百万条指令。如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的处理能力为8 0m i p s ， 即每秒可执行八千万条指令； m o p s ：即每秒执行百万次操作。如t m s 3 2 0 c 4 0 的运算能力为2 7 5m o p s ； m f i 。o p s ：即每秒执行百万次浮点操作。如t m s 3 2 0 c 3 1 在主频为4 0 m h z 时的处 理能力为4 0m f l o p s ； b o p s ：即每秒执行十亿次操作。如t m s 3 2 0 c 8 0 的处理能力为2b o p s ”。 2 2 3 2 d s p 芯片的价格 d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重要因素。如果采用价格 昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是民 用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定个价格适中的d s p 芯片。当然， 由于d s p 芯片发展迅速，d s p 芯片的价格往往下降较快，因此在开发阶段选用某 种价格稍贵的d s p 芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下降一半甚至更多。 2 2 3 3 d s p 芯片的硬件资源 不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内r a m 、r o m 的数量， 外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，t o 接口等。即使是同一系列的d s p 芯片( 如t i 的t m s z 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列中不同d s p 芯片也具有不同的内部硬件 资源，可以适应不同的需要。 2 2 3 4d s p 芯片的字长 一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定点芯 片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点芯片的字长一般为3 2 位，累 加器为4 0 位。 2 2 3 5 d s p 芯片的开发工具 在o s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支 持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具 的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选择d s p 芯片的 同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具”。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 6d s p 芯片的功耗 在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的d s p 设备、手持设备、野外应用的d s p 设备等都对功耗有特殊的要求。目前，3 3 v 供电的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 2 2 3 7 其它 除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情 况、生命周期等。有的d s p 芯片可能有d i p 、p g a 、p l c c 、p q f p 等多种封装形式。 有些d s p 系统可能最终要求的是工业级或军用级标准，在选择时就需要注意到所 选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的d s p 系统不仅仅是一 个实验系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期，那么需要 考虑所选的d s p 芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生命周期等。 在上述诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低，但 运算精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方便， 但价格稍贵，功耗也较大。例如t i 的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 x 系列属于定点d s p 芯片， 低功耗和低成本是其主要的特点。而t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 6 7 x 属于浮点d s p 芯片， 运算精度高，用c 语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。 d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的d s p 芯片的基础。运算 量小则可以选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成本。相反， 运算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的处理能 力达不到系统要求，则必须用多个d s p 芯片并行处理。 综上所述，根据系统的需求，在本设计中选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为系统的主 控芯片。 2 2 4 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片作为d s p 控制器2 4 x 系列的新成员，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平 台下的一种定点d s p 芯片。2 4 0 x 芯片为c 2 x x c p u 功能强大的t m s 3 2 0 d s p 结构设 计提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力，对电机的数字化控制非常有用； 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗； 4 0m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0m h z ) ，从而提高了控制器 山东大学硕士学位论文 的实时控制能力； 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容； 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达2 5 k 字的数据程序r a m ，其 中5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ； 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和非 对称波形；当外部引脚p d p i n t 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的 p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲：3 个捕获单元；片内光电 编码器接口电路；1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控制交流感 应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器： 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字：6 4 k 字程序存储器；6 4 1 ( 字数据 存储器：6 4 k 字i 0 寻址空间； 看门狗定时器模块( w d t ) ； 1 0 位a d 转换器最小转换时问为5 0 0n s ，可选择由两个事件管理器来触发 的两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； 控制器局域网络( c a n ) 2 ob 模块； 串行通信接口( s c l ) ； 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) ： 基于锁相环的时钟发生器； 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) ； 5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) ； 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外没器件转入低功耗模式”。 2 3 系统总体功能框图 根据系统功能的要求，绘制图2 - i 之功能框图 u s b 部分将作为下位机与上位机的通讯方式； x 2 5 0 4 5 部分则用来存储少量参数以及保证系统可靠复位运行： l c d 显示部分用来调试、设置、指示； 键盘用来输入信息、命令； r a m 部分用来存储数据或作为调试时的程序存储区； 山东大学硕士学位论文 电源部分将选择具有多种电压输出的开关电源来给不同的芯片及模块供电； c p l d 部分作为译码、总线扩展在一些模块与d s p 之间；接口的逻辑控制； 系统的电机控制前向输出通道将由光电隔离器+ 差分电路组成；系统的电机 后向输入通道反馈由差分电路+ c p l d 组成； 系统的d i o 将由光电隔离器+ c p l d 组成； 山东大学硕士学位论文 1 2 山东大学硕士学位论文 3 硬件系统设计 本章重点讲述多轴控制器的硬件设计基本方法和原则，包括各种串行接口的 比较，u s b 作为高速通信方式的优点；系统复位及防死机的措施；系统时钟及晶 振的特点；系统前向及后向通道的确定等问题。 3 1 p c 与控制器通讯方式的分析、比较与芯片选择、原理图设 计 在本课题的这种p c 总线外移方式的多轴控制器中，上位机与下位机的通讯 是非常重要的，不但要保证其传输的可靠性，而且也要尽量提高传输速度，提 高实时性。因此，要对各种串行总线进行分析比较，选择其中适合本多轴控制 器与计算机通讯的方式。 3 1 1 常用计算机串行通讯接口的比较 表3 - 1 常用计算机串行通讯接口的比较 接口格式设备的最大最大传输距离最大速度用途 数目( 英尺)( b s ) 1 6 ( 或是到9 6 1 5 m ，1 2 m ，鼠标、键盘、硬盘、 u s b异步串行1 2 7英尺，使用54 8 0 m 调制解跳器，音频 个集线器) r s 一2 3 22 0 k ( 有些硬调制解调器、 ( e i a t i a 一2异步串行 2 5 0 一1 0 0件可以到鼠标、仪器 3 2 )1 1 5 k ) r s 4 8 53 2 ( 有些硬 数据存耿与控 ( t i a e i a 一4异步串行件可以到4 0 0 01 0 m系统 8 5 )2 5 6 个设备) i r d a异步串行红261 1 5 k打印机、手持计 外线算机 m i c r o w i r e同步串行8l o2 m微处理器通信 s p i同步串行81 02 1 m微处理器通信 1 2 c同步串行4 01 83 4 f l微处理器通信 i e e e 一串行 6 41 54 0 0 f l 1 3 9 4 ( f i r e w( 1 e e e 影像。大容量存 a r e )1 3 9 4 b 可以到设备 3 2 g ) e t h e r n e t串行1 0 2 41 6 0 01 0 m l o o m 网络p c 1 g m i d i串行循环2 ( 使用f l o w t h r o u g h 5 03 1 5 k 音乐控制 模式更多) 山东大学硕士学位论文 从上表中分析可得，r s - - 2 3 2 4 8 5 i r d a m i d i 的传输速度较慢，而 m i c r o w i r e 、s p i 、1 2 c 虽然具有较快的传输速度，但她们都不是p c 标准配置中 的总线，如果选用这些总线，p c 中还要插卡进行总线转接，不合适。而e t h e r n e t 的协议过于复杂，对d s p 而言，开发过程可能较长。因此我们将重点介绍u s b 与i e e e l 3 9 4 两种总线方式“。 3 1 2u s b 芯片特点、功能综述、选型、原理图设计 3 1 2 1u s b 简介 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是用于将适用u s b 的外围设备连接 到主机的外部总线结构，其主要是用在中速和低速的外设。u s b 是通过p c i 总线 和p c 的内部系统数据线连接，实现数据的传送。u s b 同时又是一种通信协议， 他支持主系统( h o s t ) 和u s b 的外围设备( d e v i e e ) 之间的数据传送，在u s b 的网络 协议中，每个u s b 的系统有且只有一个h o s t ，因此不能将两台p c 的u s b 口通过 a a 头连接起来实现通信，因为对于电脑主板上的u s b 设备，都是h o s t ，如果连 起来就是两个h o s t 的通信，这样一来的一个u s b 的系统有了两个的h o s t ，与它 的网络协议冲突。1 3 1 2 2u s b 的组成 u s b 规范中将u s 8 分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、u s 8 芯片驱动程 序、u s b 设备以及针对不同u s b 设备的客户驱动程序。 控制器( h o s tc o n t r o l l e r ) ：主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。 控制器驱动程序( h o s tc o n t r o l l e td r i v e r ) ：在控制器与u s b 设备之间建立 通信信道。 u s b 芯片驱动程序( u s bd r i v e r ) ：提供对u s b 的支持。 u s b 设备( i j s bd e v i c e ) ：包括与p c 相连的u s b 外围设备，分为两类，一类设备 本身可再接其它u s b 夕b 围设备，另一类设备本身不可再连接其它外围设备，前 者称为集线器( h u b ) ，后者称为设备( f u n c ti o n ) 。或者说，集线器带有连接 其它外围设备的u s b 端口，而设备则是连接在计算机上用来完成特定功能并 符合u s b 规范的设备单元。 设备驱动程序( c 1 i e n td r i v e rs o f t w a r e ) ：就是用来驱动u s b 设备的程序， 通常由操作系统或u s b 设备制造商提供“一。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 1 2 3u s b 的优点 设备安装和配置容易：安装u s b 设备不必再打开机箱，加减己安装过的设备 完全不用关闭计算机。所有u s b 设备支持热拔插，系统对其进行自动配置， 彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。u s b 为所有的u s b 外设提供了单一 的、易于操作的标准的连接类型。这样一来就简化了u s b 外设的设计，同时 也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务，实现了单一的数据通 用接口； 系统资源占用：u s b 排除了各个设备象鼠标、调制解调器、键盘和打印机设 备对去系统资源的需求，因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用，整个的 u s b 的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源； u s b 支持热插拔( h o tp l u g ) ：也就是说在不关p c 的情况下可以安全的插上和 断丌u s b 设备，动态的加载驱动程序。其他普通的外围连接标准，如s c s i 设备等必须在关掉主机的情况下爿能增加或移走外围设备； u s b 支持p n p ：当插入u s b 设备的时候，计算机系统检测该外设并且通过自 动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作； u s b 在设备供电方面提供了灵活性：u s b 直接连接到h u b 或者是连接到h o s t 的设备可以通过u s b 电缆供电，也可以通过电池或者其它的电力设备来供电， 或使用两种供电方式的组合并且支持节约能源的挂机和唤醒模式： 速度快：u s b i 1 有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为1 2 m b p s ， 另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，u s b 还提供低速方式，速率为1 5 m b s ： 易于扩展：通过使用 【u b 扩展可拨接多达1 2 7 个外设。标准u s b 电缆长度为 3 m ( 5 m 低速) 。通过h u