基于DSP 的PCI 通用運動(dòng)控制卡的硬件設計

摘要：本文提出了一種基于TMS320F2812 的PCI 總線(xiàn)通用運動(dòng)控制卡的設計方案。詳細介紹了運動(dòng)控制卡的硬件結構，并對控制卡的配置進(jìn)行了深入分析，給出了具體的配置參數。最后，介紹了板卡驅動(dòng)程序的設計方法。采用DSP 和PCI 結合的方式，實(shí)現了上下位機的高速通訊，并充分發(fā)揮了DSP 強大的運算能力和極高的處理速度，以保證控制卡對實(shí)時(shí)性和精度的苛刻要求。

1 引言

隨著(zhù) DSP 技術(shù)的飛速發(fā)展，以其為核心的多軸運動(dòng)控制卡越來(lái)越廣泛的應用在運動(dòng)控制系統中。上位機只需對被控對象實(shí)施總體的控制和管理，而位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制的計算和控制量的輸出均由運動(dòng)控制卡完成，這極大地提高了運算速度和控制響應速度。本文設計的運動(dòng)控制卡以TI 公司的32 位定點(diǎn)DSP TMS320F2812 為核心處理器，輔以運動(dòng)控制器LM628，通過(guò)PCI 總線(xiàn)專(zhuān)用接口芯片PCI9052 與上位機通信，實(shí)現3 軸(可擴成多軸)伺服電機的控制，完成位置、速度控制以及直線(xiàn)、圓弧插補功能。本文將對運動(dòng)控制卡的硬件設計進(jìn)行詳細的介紹。

2 運動(dòng)控制卡的硬件結構

TMS320F2812 是基于TI 公司最新的C28x 內核而設計的。與其他的處理器相比，其具有如下一些特點(diǎn)：采用低功耗設計，核心電壓僅1.8V~1.9V，顯著(zhù)降低了功耗，指令周期可達6.67ns;新增了擴展控制寄存器以實(shí)現各種增強功能;多達128K×16 位的Flash 存儲器，足夠用于存儲程序和數據變量;56 個(gè)可編程或復用的通用I/O。

LM628 是NSC 公司專(zhuān)為使用增量式編碼器作為位置反饋的伺服機構而設計的一種芯片，其集成度高，需要外圍部件少，易于調試。主要特點(diǎn)如下：具有32 位位置、速度和加速度寄存器;帶有16 位參數的可編程數字PID 控制器;可編程微分采樣間隔;運動(dòng)過(guò)程中可改變速度、預期位置和PID 控制器參數;實(shí)時(shí)可編程的主機中斷。

PCI9052 是PLX 公司推出的低成本、低功耗、32 位PCI 總線(xiàn)專(zhuān)用目標接口芯片。其兼容PCI V2.1 協(xié)議特性，可與多種局部總線(xiàn)相連;支持復用或非復用的8/16/32 位局部總線(xiàn);支持4 個(gè)局部片選信號和5 個(gè)局部地址空間;支持兩個(gè)來(lái)自局部總線(xiàn)的中斷，可生成一個(gè)PCI 中斷;支持局部總線(xiàn)等待狀態(tài)，附加的LRDYi#握手信號可用于產(chǎn)生各種等待狀態(tài)。運動(dòng)控制卡的總體硬件結構如圖 1 所示。其中，DB 為數據總線(xiàn)，AB 為地址總線(xiàn)，CB為控制總線(xiàn)，CS-1~CS-4 為片選信號，XA0 為DSP 經(jīng)電平轉換后的最低位地址線(xiàn)。

圖 1 運動(dòng)控制卡的總體硬件結構

從圖中可以看出 PCI 接口芯片的PCI 總線(xiàn)端直接與金手指相連，局部總線(xiàn)端則通過(guò)雙端口RAM 與DSP 相連，構成16 位存儲轉換電路。DSP 分別與三片LM628 相連，與其配合以實(shí)現3 軸運動(dòng)控制。這樣既解決了DSP 因系統資源不足不能控制多軸的問(wèn)題，又彌補了LM628 單獨控制時(shí)總線(xiàn)傳輸延時(shí)的缺點(diǎn)。LM628 的數字量輸出經(jīng)數/模轉換和電壓放大后轉換為交流伺服驅動(dòng)器可以接收的模擬電壓信號(-10V~+10V)。而伺服電機增量式光電編碼器的反饋經(jīng)差分電路濾波并合成單端信號接入到LM628 中，以構成位置閉環(huán)控制。

圖 2 PCI 總線(xiàn)接口框圖