基于DSP和FPGA的运动控制卡的设计与实现

２００７年５月第１４卷第３期控Ｃｏｎｔｒｏｌ程Ｅｎ舀ｎ嘲ｉ１１９ｏｆＣＩｌｉ腿制工Ｍａｙ２００７Ｖ０１．１４．Ｎ０．３文章编号：１６７１－７８４８（２００ｒ７）０３－０２６０．０３基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的运动控制卡的设计与实现李伦波，马广富，赵建亚，（哈尔滨工业大学控制科学与工程系，．黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：针对数控系统的工作特点和要求，通过对ｎ公司新推出的ＤｓＰ芯片ｎ螂２０麟１２和ＡＩ胍强Ａ公司的Ｆ１ＰＩ强芯片ＥＰｌＩ∞功能和特点的深入分析，给出了一种基于ＤＳＰ和ＦＰｃＡ的取代单片机，能够更好地满足数控系统对运动控制单元的实时性和控制精度的苛刻要求。某型号三轴仿真转台已采用该运动控制卡作为主控制电路，并能很好地实现转台的定位精度。转速等性能指标要求。关键词：数控系统；数字信号处理器；现场可编程门阵列；运动控制卡中图分类号：’ＩＭ５１７文献标识码：Ａ运动控制卡的设计与实现。在充分考虑上述芯片特点和资源的基础上，该卡采用ＤｓＰ和黝ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＢｏａｒｄＢａｓｅｄｏｎＤＳＰａｎｄＦＰＧＡ（Ｄｅｐａｒｈｎ哪ｔａｆｃ０曲ｃｄＳｃｉ锄∞胁ｄＥ玎ｇｉＩ地耐ｌｌｇ，｝ｈｂｉｌｌｈ面ｈｌｔｅ０ｆＴｅｄＩＩ毗唧，｝ｈｂｉＩｌＡｂ醴ｌ翟ｃｔ：Ｔｂ口厶盼６Ｄ，心白口ｎ妒血，Ｚ珊０胁咖弘０ｆｔ｝ｌｅｌ跏０１，ａｌｉ聃）嘲２０麟１２，ａｎｄＦⅨ逾ｃｈｊｐｄ朗ｉ印瓢岫ＤＳＰｍｅＨｂｔｈｅａｎｄｔｌ把ｄ碥ｍｃｔｅｒ！ｉ８６ｃｓ“州疆缸蜘ｔＢＥＰｌＫ３０，ｔｌｌｅａ扼吕ｙｇｌ哪。ａＩｌｄｂａ８ｅｄ帅ａｎａｌｙ五ｎｇ山ｅｆ‰ｄｏｎｓａｎｄ嘶ｔｓ０ｆＩ）ｓｐｃｈｉｐｄ鹤ｉ印ａｌｌｄ础ｉｚａｔｉ∞０ｆｍ口ｖ鲫ｅｍｃ０疵Ｉｂｏａｒｄｂａｓｅｄ∞ＤＳＰ８ＩｌｄＦⅨ造ａ糟ｐ玎杈Ｉｍｅｄ．１ｋＦＰｌ强ｔｏ陀ｐｌａｃｅｍｉｃＩｏ∞埘瑚ＩＵｅｆ山耐ｅｒｏｆⅡ１０６∞ａｍｔ由ｌ∞ｐ】［ｅｃｉｓｉ∞鲫ｄｌ－ｆ粗．ｔｉｒｒ虻ａｂｉｌｉｔｙ．Ａｏ既协ｔ｝ｌ舯ａｘｉ８ｂ噙ｍ，ａＩｌｄｆ皿ｃｍ斌ｒａｔｉ明ｓ０ｆ幽ｅｉｒ斑ｓｃ咖【ｃｅｓａｌｌｄ吲ｔｓ，ａｎｄ锄ｂ蝴如Ⅱｍｔｈｅ弛ｑｕｉｌ℃．８ｉＩ】虬幽伽ｎｌｍｔａｂｌｅｈａｓａｄｃ唯，ｔｅｄｐ晒ｉｔｉ伽，ｗｊ妇ｔｙ，ｅ毛ｃ．ｔＩ伦ｎｌｏ、ｒｅｎ七ｎｔｃ【ｍｈＤｌｍ血ｃｃ噬咖ｌｐ如Ⅱｙ弛ａｌｉｚｅｄ￡ＩｌｅＲ：ｑ｜匠ｒ黜ｎ嵋ｏｎｂｏａｒｄｂｏａＩｄ鹪ｍｅｐ∞ｃｉ８ｉｏｎｏｆＫ眄ｗｏｒ凼：ＣＮＣ；ＤＳＰ；即ＧＡ；ｍｏｖｅＩＩ烈吐ｃ０加Ｄ０１１引言２系统概述系统的功能框图如图ｌ所示。随着开放式数控技术的日益发展，开放式数控系统在工业控制领域得到广泛应用。其中，运动控制卡是数控系统的核心单元模块，数控系统的性能、精度一定程度上依赖于运动控制卡的高速数据处理能力和控制能力【１０】。运动控制卡在基于ＰＣ的数控系统中完成电机的位置和速度的实时控制，从而将主机从繁重的运动控制中解放出来，使其在其他方面发挥更大的作用∞’４Ｊ。基于单片机的运动控制卡由于受到单片机自身的限制，其控制精度、控制轴数和控制周期等都受到限制，因此这类控制卡不适用于高精度、实时性要求苛刻的运动控制场合。数字信号处理器ＤＳＰ采用多组总线的哈佛结构、多级流水线结构等，特别适合数据量大、计算复杂、实时性要求高的场合。本文设计了一种基于１Ｍｓ３２０磁８１２数字信号处理器№．１ｎｍｃｔｉ删ｍ蚍拙卿０ｆｔｂｅｍ嘣叽伽劬ｒ０Ｉ涮ｎ坞３２０Ｆ２８１２和ＡＩ胍ＲＡ公司的两片图ｌ系统功能框图该系统的核心芯片是１ｆＩ公司Ｃ２０００系列的３２位定点ＤｓＰ和黜的运动控制卡，所设计的运动控制卡已用够很好地实现转台的精度、速度等性能指标。收稿日期：２００鲫３．１４；收修定稿日期：２００鲫啦１９量翻强芯片ＥＰｌ硒Ｏ、一片ＣＰＬＤ芯片姗２５６。与ＩＳＡ总线相接的眦片内设计了１６×１６位的双口于某型号的三轴仿真转台，调试结果表明，该卡能ｍ蝴，用来完成ＰＣ与ＤｓＰ间的数据交换。与角度编码器相接的ＦＰ（趣片内设计了三轴角度编码器的作者简介：李伦波（１９７７．），男，江苏灌南人，博士，主要研究方向为惯性导航与非线性滤波等；马广富（１９６３．），男，河北唐山人，教授，博士生导师。万方数据第３期李伦波等：基于ＤＳＰ和ｎ）ＧＡ的运动控制卡的设计与实现・２６ｌ・信号后续处理电路，该角度编码器选用德国皿Ｉ一姗Ａ矾公司的绝对式角度编码器ＲＣＮ２２６，它带有ＥｎＤａｔ２．１双向串行接口。ｃＰｕＤ完成三轴驱动器接口逻辑处理和１６路开关量输入，输出等。ＤｓＰ则完成系统位置、速度控制和插补算法等。３ＤｓＰ及其外设接口模块设计，ＩＭＳ３２０麟１２是１ｒＩ公司新推出基于，ＩＭＳ３２０Ｃ２８＜瑚内核的高性能３２位定点ＤｓＰ。它采用高性能静态ＣＭｏＳ工艺，支持Ｊｗ屺边界扫描，最高主频为１５０ＭＨｚ，内核１．８—１．９Ｖ供电，低功耗，具有三个外部中断，片内闪存多达１２８Ｋ×１６ｂｉｔ，鼬Ⅲ为１８Ｋ×１６ｂｉｔ，拥有两个事件管理器用定时器，８个删通道，三个捕获单元。片上（肌～和ＥｖＢ），每个事件管理模块有两个１６位通还集成两个１２位８通道ⅣＤ转换模块，转换速度达１２．５ＭｓＰｓ；有ＳＣＩ，ＳＨ，ｅＣＡＮ，ＭｃＢｓＰ外设接口。另外，这款ＤＳＰ对Ｃ／Ｃ＋＋语言的支持非常好，使ｃ的编译效率达到近９０％，这样使得用户软件开发变得非常容易，而且效率高。在本运动控制卡设计中，利用ＤｓＰ片上外设接接口的Ｄ／Ａ转换器。多协议芯片采用Ｍ删公司口ｓＣＩ，ＳＰｌ分别扩展的两路多协议异步串口和ＳＰＩ的悯１６０，只需适当的设置即可使其工作在赂２３２或Ｒｓ—４８５／４２２接口方式下。这样使得该异步串口可应用在不同的工作场合。利用片上ｓｎ外设接口通过光电隔离与串行Ｄ／Ａ转换器ＤＡＣ７７１４相接，可输出４路±１０Ｖ模拟电压。ｓＰＩ接口工作在主方式下，由ｓＰＩｃｕ（，ｓＰＩｓｍＯ分别提供Ｄ／Ａ转换的时钟线和数据线。Ｆ２８１２本身自带两个１２位ＡＤ模块，每个模块为８通道，其速度快、精度高，可直接外接模拟电压，扩展出该模拟接口可方便应用在通过模拟电压来控制电机运动方向和运动速度的简易运动控制系统中。４黜模块电路设计为了增强系统的可扩展性以及各个功能的模块化，采用两片即ＧＡＥＰｌｌ（３０来分别设计ＤＳＰ与ｂＡ总线间的接口电路和三轴角度编码器的信号后续处理电路。ＥＰｌＫ３０是ＡＩ胍ＲＡ公司推出的低成本ＦＰ—ＧＡＡｃＥ）【系列中一款，它的主要特点有包括片内有锁相环、ｍ蛳块，Ｉ，Ｏ口可与２．５Ｖ，３．３Ｖ，５Ｖ器件直接相连。这就为不同电平间的接口电路设计提供了方便，省去了电平转换缓冲器。１）ＤＳＰ与融总线间接口电路麟１２的Ｉ，Ｏ接口电平是３．３Ｖ的，而工控机ＩＳＡ总线为５ＶＴＩＬ电平，这两者间不能直接相接。常见的做法是用双口ｍｍ、电平转换缓冲器、ＣＰＵＤ来设计该接口电万方数据路。这种方案不仅成本较高，而且也不利于硬制电路板的布线。本运动控制卡采用端口电平兼容３．３Ｖ和５Ｖ的ＦＰＧＡＥＰｌ硒０来设计该接口电路，片内设计的逻辑有３２×１６位的双口ｍｗ和一些读、写操作和中断信号的控制逻辑。该接口可以大量高效地传递数据，实现ＤｓＰ与Ｐｃ问的通讯。ＤｓＰ响应Ｐｃ机的中断请求，从双口ｍｗ中读取工作模式指令和运动控制指令，然后进行快速地插补运算、速度控制和位置控制；在运动控制中，ＤＳＰ隔一定的周期向Ｐｃ发送运行状态，以便工控机监控数控系统的工作状态。２）角度编码器后续接口电路设计角度编码器选用德国ｍ￡ⅢＥＮＨＡ矾公司的２６位绝对式角度编码器ＲＣＮ２２６，它带有Ｅｒ血记．１双向串行接口。Ｅ１１Ｄａｔ接口是ｍ￡Ⅲ咖Ａ斟公司开发的，主要优点包括适合于所有的绝对式编码器；降低了线路成本，标准应用只需６根线；系统的安全性高，后续的电子设备可得到报警信息进行监控和诊断，不需要额外的电路；采用与编码器分辨率相适应的数据字长和高的时钟频率，ＥＩｌＤａｔ２．１最高通讯时钟为２ＭＨｚ，删．２为８Ｍ№；运用循环冗余码校验，来提高传输可靠性。本运动控制卡可以控制三轴电机，有３个绝对式角度编码器ＲＣＮ２２６用一片Ｆ１ＰＧＡ来设计３个角度编码器的后续接口电路。用户可根据具体型号的编码器来选择分辨率和设定时钟频率，使得该电路具有很强的通用性。一路角度编码器的后续电路内部逻辑框图，如图２所示。而ｉ盯。晦陆啡ｃｉ高Ｆ三研撼薄ｉ；№．２蛐舳瑚ｌ咄Ｕ０ｄ‘岫０ｆｔｈｅ图２Ｅ删．１后续接口电路内部逻辑框图ｄ础衙ＥＤ嗽．１如恤—钿啤３ｕｂ唧衄图中，Ｃｌｌ【ＩｒＩ为输入时钟；Ｃ心Ｄｕｔ为角度编码器移位的时钟信号；Ｄ砒Ｔｍ为数据发送引脚；Ｄ甜ｋ为数据接收引脚；其他的信号为与外部总线相接的控制信号线和地址、数据线。单个角度编码器工作在读取绝对位置值的模式下，仿真图如图３所示。・２６２・控制工程第１４卷№．３‰Ｉｌｌａ妇鼬岬０ｆ恤劬删Ｉ删由础钿脚凇．１岫图３ｈＩＤ８心．１后缨接口电路仿真图图中，信号ｃｌｋｈｌ为２４Ｍ也输入时钟；信号ＲｓＴ为编码器后续电路复位信号，低电平有效；信ＤＴｉｖｅｒＥｎ—Ａ为数据收发控制信号，高电平时允许芝．ｃ鉴胁一然萎黧彗Ｉ辈要霎二堡妻６结语”个，这样就需要采用中断复用技术；在ＣＰＩＤ也设计了相关的逻辑电路，逻辑相对简单，不再详述。州恫向角度编码器发送指令，低电平时可以从角度编码器读取数据；信号ＤａｔＲｅｃ—Ａ，Ｄ堋№一Ａ分别为串行的接收、发送数据线；信号Ｄａｔｈｔ为片内数据锁基于醚总线，配以数据处理能力、逻辑控制能力强大的ＤｓＰＪＩＭｓ３２０Ｆ２８１２和逻辑处理能力高效存信号；姗为角度编码器后续电路提供的中断信号，低电平有效；寄存器Ｌｏｗｏｒｄ，Ｈｉｗ砌分别为绝对位置值的低字和高字；信号Ａ，Ｄ分别为地址的眦组成的运动控制卡，在开放式数控系统中能够发挥出强大的运动控制功能。随着数控系统的普及和产品档次的提高，这种运动控制卡将会有广总线和数据总线；Ｃｓ，ＲＤ，ＷＲ分别为片选信号和读、写控制信号。编码的后续电路，设置编码器收发数据的时钟频。一孽壁急星爸，孽怨翌竺曼堡哆：，萝当摹竺鲁譬参考文献（№）：’。泛的应用前景。所设计的运动控制卡已用于某型号的三轴仿真转台，调试结果表明，该运动控制卡能够很好地实现转台的精度、速度等性能指标。。兰；釜重要仝塑璺堂篓苎指竺，、。茭寞翌鬯．部毫翌ｎ器；最后通过中断或查询方式来读取位置值。编码器的其他工作謦式与此相仿。３鬟器要要鑫薷蕃黜篇嚣霆嚣煮各嚣蓥篙尚二．爵二二ｉ二淼二。孟：矗ｉｉ赫谲ｕ＝瓷苫５㈣模块电撇计辑电路主要完成外扩端口的地址译码、读／写逻辑黼豁粼黜竖黜ｃＰＬＤ选用ＡＩＩ唧Ａ公司的ＥＰＭ７２５６，内部逻裟尝恩ｌ篙％舻ｍ”嘶㈣妇ａｎｄ蛐ｈ［３］李恺，董景新，赵长德．基于Ｄ即和ｃ眦ｌ的数字化转台伺服系［２］；喜享勰器戋鬈茅篙嚣瑞篙茗茎禹耋熬萎器瞬品：控制。外扩的端口包括１６路隔离Ｉ／ｏ口、３个交流篙譬：勰２甍冀警羹誓登’竺盘鉴：嚣０竺伺服驱动器的隔离数字接口、２路多协议异步串口ｇｙ栅ｂａｓｅｄｍＤｓＰ越ｌｄ㈣ｈ呲［Ｊ］．Ｊ汕血《ａｌｉ－峨ｈＩ．的配置口、Ｄ／Ａ和角度编码器复位逻辑控制口。另加上与工控机通讯的中断信号，本系统共有４个外：揣焉盏巴艺惹黜鼍＝僦蒜外，当采用中断方式读取３路编码器的转换值时，［４］然譬㈣丢箍鲁喾器丢台伺服控制系统的研究与誊现唧ｊ，中警性技杏学警，猁：１３（３）：７邮．（Ｊｉ７５．）ｗ西，ｕＱｉ，部中断信号，而，ＩＭｓ３２０Ｆ２８１２外部中断引脚只有３下期要目空间机械臂在线实时避障路径规划研究…………陈靖波。赵敏基于在线聚类的模糊建模方法及其应用研究……………………林雷，赵紫辉汽轮发电机组在线检测与故障诊断系统…………………薛必翠二能量级量子系统的构造控制稳定性研究……………叶宾，孔晓红，须文波Ｐｉ静姒网络在烟厂智能照明系统中的应用……………………钱晓龙，路万方数据阳基于DSP和FPGA的运动控制卡的设计与实现作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：李伦波，马广富，赵建亚，LILun-bo，MAGuang-fu，ZHAOJian-ya哈尔滨工业大学,控制科学与工程系,黑龙江,哈尔滨,150001控制工程CONTROLENGINEERINGOFCHINA2007,14(31次参考文献(4条1.姬伟;李奇;杨海峰四轴稳定跟踪转台伺服控制