南京信息工程大学讲解

1、南京信息工程大学DSP课程论文课题：基于TMS320F2812多轴运动控制系统20132305046滨江学院电子信息工程姓名学号专业徐旭指导老师：周欣O 一六 五月.3.2摘要.2关键词1控制系统结构总体设计12基于TMS320F281运动控制器电路设计.32.1 TMS320F2812 最小系统.42.2 CAN通讯电路.42.3数据存储电路2.4手操器按键处理电路.52.5控制电路.62.6脉冲发生器电路.62.7液晶控制电路.73多轴运动控制系统软件设计4实验结果与分析.85结束语参考文献.9致谢.105基于TMS320F2812多轴运动控制系统徐旭南京信息工程大学滨江学院，江苏南京21

2、0044摘要：针对开放式多轴运动控制系统的发展趋势及要求，提出了一种以TMS320F2812为核心,CAN总线为通信标准的分布式控制结构.详细介绍了系统的功能，硬件设计和软件结构 图.该控制系统具有开放性，实时性和模块化等优点，并可应用于切割机器人中.在运行过程中，控制系统运行良好，达到了设计目标，具有广阔的应用前景.关键词：多轴运动控制；TMS320F2812位置控制；CAN总线Abstract: Abstract: The multi-axis motion control system requires the development trend and open, we propose

3、Distributed control frame work, which requires TMS320F2812 as the core, CAN buscom muni cati on sta ndard .SystemFeatures, hardware desig n and software architecture diagram is unique to her parents con trol systemOpen, real-time and modular, and has bee n app lied in cutt ing Robot. Op erati onal c

4、on trol system It shows a pro cess con trol system is fully impi eme nted and achieve the desig n goal, and it has a good prosp ect.Keywords: multi-axis motion con trol; TMS320F2812; position con trol; CAN bus1 控制系统结构总体设计DSP的多轴运动控制系统采用分布式控制结构，整个控制系统分上位机和下位机 2大上位机和下位机通过CAN总线进行数据传输.应用于切割机器人的多轴运动控制基于部分

5、，系统总体结构图如图1所示.上位机中硬件主要包括 2个部分：工业级PC104和CAN卡.PC机选用盛博科技的PC104计算机，CAN卡选用周立功公司的PC104CAN，主要完成路径规划和人机交互任务功能. 下位机DSP多轴运动控制器以模块化方式扩展数据存储、按键处理、脉冲发生器、I/O开关量、液晶显示等功能，形成功能完整的控制系统在这种方式中，DSP多轴运动控制器独立实现所有电机的同步运动和管理功能.代U割类型选瘠管外切割I 管内切割I发送控制计算机各运动轴 的位移量发送 接收 信息手操器模拟量 監入/ 限位开关DSP多轴运动控制器4运动轴XIYIZIU旨电机1T电啊翻汕电网动敝2*亠电机3电

6、机4传 动 机 构液品显示图1 多轴运动控制系统总体结构图2基于TMS320F281运动控制器电路设计根据系统的控制要求，DS P多轴运动控制器具有以下一些主要功能：(1) 控制器负责各个模块的运行管理、状态反馈等.(2) CAN通讯模块负责上下位机信息通讯，节点间命令传送、数据传送等.(3)数据存储模块负责记录上位机下发给各个节点的数据表， 序读出数据表，根据命令进行执行.并在自动运行时，按照一定顺脉冲发生器模块负责脉冲输出，并将脉冲信号进行放大、驱动处理，供给电机驱动器. 手操器按键处理模块负责对远处手操器的信息进行辨别，并启动响应处理程序. 液晶控制模块负责系统运行状态显示.检测信号处理

7、模块负责检测各轴运动的极限位置，并进行报警，或者检测各轴运动特定位置信息，进行处理.由图2多轴运动控制器的原理框图可知，整个多轴运动控制器主要由TMS320F2812最小系统模块、CAN通讯模块、数据存储模块、手操器按键处理模块、逻辑控制模块、脉冲发生 器模块和液晶控制模块等组成.以下简单介绍各个模块的电路设计.2.1TMS320F2812 最小系统系统采用TI公司32位定点TMS320F2812DSP作为运动控制器的核心处器.TMS320F2812具有足够的FLASH程序存储器容量，高速运算速度，充足的 I/O接口，丰富的RAM存储 空间，片内ADC以及CAN总线控制器等电源电路、时钟电路、

8、复位电路和扩展RAM、电路构成了 DSP的最小系统.TMS320F2812内核电压为1.8V, I/O电压为3.3.V，供电电源采 用选择TI 公司的专用电源芯片TPS70151.时钟电路采用30MHZ晶振，经内部锁相环5倍 频后给DSP 提供时钟，使DSP工作频率为150MHZ . DSP正常工作时，不会产生复位信号，如果出现死机现象，则看门狗电路产生复位信号，DSP被复位.为了与TMS320F2812的I/O工作电压相匹配，片外扩展存储器选用了ISSI公司3.3V供电的FLASHMEMORY IIS61LV51216 .手操 its I I1 I_I摟塚細胖I电牢疗撫/删1隔禺- IAiX

9、：1 SCITMS32F2KI2|ccan|XINIEsJ光也阳电逆了时II1 .AMk11种电路1nVTAXM LPlH 电咖闵歸-I旳离I电E斛国碍H玄确喷电机H jMi离H也机張副禅H空流沁吸电机I q他tj和离H电机鄭动器H送流f砌业电机I图2 多轴运动控制器原理框图22 CAN通讯电路CAN总线是一种串行数据通讯协议，通讯速率可达1Mb/S，采用光导纤维作为通讯介质，保证了通讯的速率与可靠性.在整个多轴运动控制系统中，PC机主控节点负责与控制器节TMS320F2812的eCAN模块集成了 CAN 控制器， 的开销，因此只需要外置收发装置即可.这里采用PCA82C250是CAN协议控制

10、器和物理总线的接口, 对CAN控制器提供差分接收能力.点通讯，对控制器进行管理.的CAN协议，减少了 CPU的PCA82C250作为收发器，CAN总线提供差分发送能力，对CAN控制器提供差分接收能力.收发器采用收发器和TMS320F2812之间加高速隔离6N137芯片以实现电平转换，并使 和CAN总线隔离，达到保护 DSP芯片的作用.提供了完整PHILIP公司 此器件对5V供电，在TMS320F28122.3 数据存储电路因此选用了ATMEL公司的串行接口，满足于需要非常高速的应用场每一个逻辑页包含 512或者528 BYTES .除缓冲区，每一块缓冲区包含对于机器人系统，要求存储的数据包括各

11、运动轴程控运行时在每时刻的脉冲速度和脉冲步长 数以及切割运行理论数据等考虑到数据份数较多，AT45DB161D . AT 45DB161D 支持 RapidS合存储容量为17 301 504bits，分为4096页， 了主存储器， AT45DB161D 还包含2块SRAM512/528BYTES .系统编程中，通过片选引脚CS使能，通过1个三线接口来访问，包括串行输入SI,串行输出SO和串行时钟SCK . DSP操作存储器只需要使用 3个I/O来模拟相应的SPI 时序即可.2.4 手操器按键处理电路为了方便操作，控制系统配有遥控装置，用于微调、点动以及实时的现场干预操作等.由于设计的按键数多达

12、38个，如果直接使用DSP上的I/O 口模拟键盘会占用DSP的大量外设 资源，影响系统其他功能.因此选用了比高公司的HD7279芯片.LOk-5VTMS 32仙;2812yS箭加匹164射TGPT0A2GPI0A1GPI0A6GPIOEOA 2 0 B2 0 J 朋11 B2匚 A2 K22j 吃3 D2E3JVDD/liESETVDDRCNCCLKOVSSDIG 了KCDIG6/CSDIGSCLKDIG 1DATADIG3/KEYDIG2SGDIGlS卩DIGGSCSDSASCSB231213212028272& 罢211915171615A7104PH15p 丄坐旳VLJNE4f LIE3

13、LINE2:m gROW 1 KM 2 ROW 3ROW -IROW 5测6ROW 7100k图3 键盘接口电路图HD7279芯片是一种通用的可编程、键盘显示接口芯片键盘部分提供的扫描方式，可以和 具有64个触点的键盘或者传感器相连，对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别按键，给出编码，并向微处理器申请中断按键接口电路如图3所示，HD7279采用串行方式与TMS320F2812进行通讯，数据从 DATA引脚送入芯片，并有 CLK同步.当片选信号 CS低电 平后，CLK的上升沿时，DATA数据被写入HD727寄存器./KEY为高电平，当检测到有效按 键时此引脚会变为低电平.2.5控制电路本系统采用了

14、有一个标准的采用了并口的片外地址扩展区域逻辑译码、系统I/O功能扩展以及其他扩展备用功能.CPLD逻辑主要实现了以下功能芯片的逻辑译码：包括4片定时器/计数器芯片82C54，存储器芯片和液晶显Altera 公司的 MAXII 系列 LDEPM7064AE . EPM7064AE 供电电压为 3.3V，带JTAG接口，对CPLD内部资源的配置可通过此 JTAG 口进行，配置代码下载 BYTEBLASTERII 电缆.系统设计对 CPLD的需求主要来自于 2个方面：DSP 系统I/O功能扩展以及其他扩展备用功能.A12 Al 1 AIOi/O i/Oi/OI A)82C54XZCS2S320b28

15、12GP1OA8D|O：7J DSILGATE DSPLCHY DStDlR DSrWE DS 巳 RE A9 A8181/()EP M7()64At：74ALVC1 64245A2t5J A2t5JAWI Bl|0?A2OJ1H2)A2rH2A2B2A2B2A2B2INTx-GATE, -CHY DiKxCSyCLK0GATEOOLTODBL0：7JCLK1 GATE11U)A1A0CRYGATExCPx示的片选译码.系统中采用将 TMS320F2812的XA 10XA18地址线ZXCS2参与译码.图4 脉冲发生电路图2.6 脉冲发生器电路脉冲发生电路的目的是精确地控制伺服电机和步进电机.考

16、虑到系统设计的稳定性、可靠性等要求，本系统中的脉冲控制采用三菱公司的82C54芯片做脉冲发生器，同时采用 SN7407作为驱动芯片.单路脉冲控制需要使用一片82C54的2个通道，分别工作在波特率发生器工作方式0和计数结束产生中断工作方式 3两个通道串联.脉冲发生电路如图4所示，脉冲从计数器0 （工作方式0）的CPx引脚发出，经过处理后送给电机驱动器，同时还将脉冲送 到计数器1 （工作方式3）的CLKx弓I脚，当所发送的一份的脉冲发完时，INTx引脚变高电平，DSP检测到这个跳变便认为运动轴运动到预计位置，然后进行下一步操作.同时82C54具有锁存功能，在四轴的联动时，可以及时地反读当前的脉冲发

17、送状态，使系统可以及时地调整脉冲发送速度，进而改变运动状态，使运动部分按设计轨迹运动.62.7 液晶控制电路液晶屏选用北京青云创新科技发展有限公司的LCM320240，集显示、控制驱动于一体的显示器件，接口简单.同时具有功耗低、寿命长、可编程驱动且能提供丰富的显示内容等优点， 被广泛应用于各种智能仪器中.液晶控制电路非常简单，TMS320F2812通过SN74ALVC164254电平转换芯片直接与液晶屏电路板连接.DSP与液晶屏接口方式为直接控制方式，液晶屏电路直接挂在系统总线上.通过液晶屏来实时显示系统状态，程序中采用自建字库来实现显示汉字和数字.3多轴运动控制系统软件设计在基于TMS320

18、F2812多轴运动控制系统的软件设计中，采用开放性体系结构，以模块化、 层次化的结构，通过各种形式向用户提供应用程序接口，使系统具有可扩展性、 可移植性和互操作性等特点，为多种控制系统的快速加载提供良好的接口平台1.多轴运动控制系统的软件结构图如图5所示.图5 多轴运动控制系统的软件结构图系统软件设计包括2部分：CAN通讯、系(1)上位机软件设计主要包括人机接口、任务调度、界面管理、插补运算、 统状态显示、机器人姿态或步态规划等方面.(2)下位机DSP多轴运动控制器中程序的设计主要包括：控制主程序、位置控制、CAN通讯、手操器控制、液晶显示控制、信号检测等方面.系统中采用二次插补算法实现对多轴

19、同步的控制.插补分粗插补和精插补2部份.2上位机在保证一定精度范围内计算出一段直线或圆弧的一系列中间点的坐标值，并逐次得到每一次各轴需运动的步数及方向，完成粗插补运算；再由多轴运动控制器完成四轴的精插补，精插补采用实时控制，大大提高了系统运作的实时性和可靠性.同时，为了保证在系统起动或停止时不产生冲击、 失步、超程或振荡，在多轴运动控制器程序中内嵌了加减速控制算法.4试验结果与分析研制的XKK 型切割机器人采用文中设计的多轴运动控制系统.切割机器人为四轴运动控制系统：旋转轴、高度轴、半径轴、枪摆轴.系统中4个电机均采用北京斯达特的步进电机.切割实验选取加工参数为：外径4000 mm、内径3920 mm、开孔直径200 mm、偏心距1500mm