基于DSP的運動(dòng)控制器的研究與開(kāi)發(fā)

摘要: 由于DSP將超強的高速實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外設功能集于一身，目前，以DSP為核心的嵌入式運動(dòng)控制器已經(jīng)成為開(kāi)放式運動(dòng)控制器的發(fā)展主流，并獲得廣泛的應用。本文通過(guò) 對運動(dòng)控制器基本功能的研究，在分析、消化已有的基于DSP的運動(dòng)控制器硬件資源基礎上，開(kāi)發(fā)了運動(dòng)控制器的軟件系統，詳細介紹了運動(dòng)控制器的軟件設計。

關(guān)鍵字: 軟件開(kāi)發(fā)；DSP；運動(dòng)控制

1 運動(dòng)控制器硬件結構

本運動(dòng)控制器的硬件結構主要分為如下幾個(gè)模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心 模塊和 CPLD 驅動(dòng)與擴展模塊；通信接口模塊，包括 PCI 總線(xiàn)、USB 總線(xiàn)和串口；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲器模塊，包括 SRAM 和 FLASH。本運動(dòng)控制器的硬件結構如圖 1 所示。

圖 1 運動(dòng)控制器硬件結構圖

1.1 DSP+CPLD 主控模塊

本系統采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 為控制核心，這是工業(yè)界首批 32 位的控制 專(zhuān)用、內含 FLASH 以及高達 150MHz 主頻的數字信號處理器，專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò )及自動(dòng)化控制等應用而設計的。TMS320F2812 采用哈佛總線(xiàn)結構，有獨立的程序和數據空間；具有很強的運算能力，能夠實(shí)時(shí)地處理許多復雜的控制算法；片上內存豐富，可支持45 個(gè)外設級中斷和 3 個(gè)外部中斷，提取中斷向量和保存現場(chǎng)只需 9 個(gè)時(shí)鐘周期，響應迅速； 片上集成了多種先進(jìn)的外設，包括兩個(gè)事件管理器（EV）、12 位 A/D、兩個(gè)串行通信接口（SCI）、一個(gè)串行外圍接口（SPI）以及一個(gè)多通道緩沖串行接口（McBSP）等；其通用輸 入/輸出多路復用器（GPIO）擁有多達 56 個(gè) I/O 口，在系統的軟件開(kāi)發(fā)中正是利用了這些豐富的內外設資源，才實(shí)現了系統要求的各種功能。

本系統中選用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 系列的 EPM3128，這是一款高性能、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系統的控制對象是步進(jìn)電機，所以設計中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口進(jìn)行電機控制接口與 I/O 接口的輸入輸出，但是由于 TMS320F2812

是低功耗處理器，其 GPIO 引腳的輸出驅動(dòng)能力有限，而且由于 DSP 是主控核心，負載比 較多，所以將所有輸出信號都經(jīng)過(guò) CPLD 驅動(dòng)后輸出，提高信號的驅動(dòng)能力。此外，CPLD還用于系統電路的譯碼，增加系統設計的靈活性和可擴展性。

1.2 通信接口模塊

本系統在用作插卡式運動(dòng)控制時(shí)利用 PCI 總線(xiàn)實(shí)現 DSP 與 PC 的通信。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯(lián)）總線(xiàn)是 Intel 公司聯(lián)合其他 100 多家公司于 1992 年推 出的基于新一代處理器的一種局部總線(xiàn)，是一種高性能 32/64 位數據/地址復用總線(xiàn)，能為 CPU 及外設提供高性能數據。PCI 總線(xiàn)具有嚴格的規范，目前已經(jīng)發(fā)布了 PCI V1.0 和 V2.1規范，保證了其良好的兼容性；PCI 總線(xiàn)與 CPU 無(wú)關(guān)，與時(shí)鐘頻率也無(wú)關(guān)，可適用于各種平臺，支持多處理器和并發(fā)工作；PCI 總線(xiàn)可以提供極高的數據傳輸速率，還具有良好的擴 展性。因此，PCI 總線(xiàn)在基于計算機總線(xiàn)的運動(dòng)控制系統，即“PC+運動(dòng)控制器”的結構中應用十分廣泛。

本系統選用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片實(shí)現 PC 機和 DSP 之間的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控制器，它是基于應用層編程的接口器件，相對于其它基于 鏈路層編程的接口器件，使用和開(kāi)發(fā)都很方便。本系統采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模塊以及 MAX232 芯片轉換成標準 RS-232 的通 信信號，實(shí)現正常的串口通信。

1.3 I/O 輸入輸出接口模塊

本系統的輸入/輸出是通過(guò) CPLD 的邏輯控制來(lái)實(shí)現的，以提高系統的工作可靠性和設 計柔性?？紤]到運動(dòng)控制器的可擴展性以及 DSP 的 GPIO 引腳的數量，共設計了 16 路數字量輸出通道和 16 路數字量輸入通道。數字量輸出通道主要用于各軸方向、脈沖信號的輸出以及一些外部設備的啟?？刂?，如主軸及冷卻液的開(kāi)關(guān)控制等；數字量輸入通道可根據用戶(hù) 具體要求來(lái)定義其用途，如作為傳感器接口，用于零點(diǎn)、限位信號的輸入等。為提高系統應用的靈活性，系統輸出采用了普通輸出和差分輸出兩種方式，具體使用可由用戶(hù)自行設定。

1.4 外圍存儲器模塊

TMS320F2812 芯片內部包括 128KB 的 FLASH 和 18KB 的 SARAM，其中 128KB 的

FLASH 用來(lái)存儲系統軟件程序已經(jīng)足夠，但是在實(shí)際使用中，考慮到運動(dòng)控制指令和加工程序需要通過(guò) USB 總線(xiàn)或 PCI 總線(xiàn)下載到運動(dòng)控制器中，且 DSP 在工作過(guò)程中需要處理大 量的數據，僅依靠 DSP 芯片內部的存儲空間遠遠不夠，所以考慮外擴一片 FLASH 和一片SRAM 作為用戶(hù)加工程序存儲器和系統的工作存儲器，它們通過(guò) CPLD 完成與 DSP 之間的讀寫(xiě)操作。

本系統選用了 Intel 公司的 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8MB 的 FLASH，其讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為 150ns，此讀寫(xiě)周期已經(jīng) 大于 DSP 對外部端口的讀寫(xiě)周期，為了能夠和 DSP 的讀寫(xiě)周期進(jìn)行匹配，在對 FLASH 進(jìn) 行讀寫(xiě)操作過(guò)程中必須插入等待周期。IS61LV51216 是一種高速異步靜態(tài) 512KB 的 SRAM， 其讀寫(xiě)周期為 10ns，與 DSP 之間可以無(wú)需插入等待周期便可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并可以直接映射到 DSP 外部存儲接口的 Zone2 或者 Zone6 區域。

2 運動(dòng)控制器軟件結構