單片機和CPLD的望遠鏡伺服控制器設計

摘要：設計基于高速單片機C8051F120和CPLD的高精度大型望遠鏡的伺服控制器，由單片機實(shí)現閉環(huán)控制算法、上位機通信和LCD顯示控制，CPLD實(shí)現增量式編碼器計數、電機驅動(dòng)波形發(fā)生以及I／O接口。該控制器可獨立進(jìn)行電機控制，也可配合上位機進(jìn)行控制，具有實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強、成本低、調試方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：C8051F120；CPLD；電機控制；內?？刂?；LCD

引言
微電子技術(shù)和計算機的發(fā)展推動(dòng)著(zhù)伺服控制技術(shù)的進(jìn)步，控制系統的硬件系統越來(lái)越高速化、小型化、模塊化，功能也日趨強大完善；而且，伺服控制技術(shù)是朝著(zhù)更開(kāi)放、更加模塊化的控制結構的方向發(fā)展的，要求控制器算法實(shí)現簡(jiǎn)單、控制接口靈活，針對不同的伺服控制對象時(shí)硬件系統不變，軟件系統也可以完成參數的自動(dòng)調整。
在高精度大型望遠鏡伺服控制應用場(chǎng)所，采用高精度光電編碼器作為主要反饋手段，主要有絕對式和增量式編碼器。驅動(dòng)電機的信號有模擬電壓輸出或PWM脈沖輸出，通過(guò)調整電壓的大小或PWM的占空比來(lái)調整電機的速度。系統具有和上位機的通信接口以及一些邏輯輸入／輸出接口等。大型望遠鏡是用于跟蹤測量空中飛行目標或觀(guān)測天體目標的精密光學(xué)設備。伺服系統是望遠鏡的重要組成部分，它對于跟蹤目標、精確測量目標的位置以及其他參數都起著(zhù)重要作用。伺服系統的性能會(huì )直接影響望遠鏡的觀(guān)測能力，對望遠鏡的高精度伺服控制需要高精度的位置反饋裝置，以及高分辨率的PWM驅動(dòng)脈沖。
本文采用高速單片機C8051F120作為主控制器，與光電編碼器接口多為AB正交碼和零位信號輸入；驅動(dòng)電機多采用帶死區PWM信號驅動(dòng)有刷直流電機；采用CPLD實(shí)現高速光電編碼器的AB碼計數、計數位數的設定以及32位的可逆計數，同時(shí)可以輸出高分辨率的帶死區的PWM電機驅動(dòng)信號。本文結合高速單片機和CPLD的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行望遠鏡伺服系統的控制器設計。

1 系統硬件設計
設計采用高速單片機作為主控制器來(lái)構成低成本的伺服控制方案。CPLD具有編程靈活、集成度高、開(kāi)發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn)，可實(shí)現較大規模的數字電路設計。因此，選擇一款合適的CPLD可滿(mǎn)足伺服控制系統的AB正交碼計數和PWM波形產(chǎn)生等電路接口要求，同時(shí)大大減小PCB面積，增強可靠性。整個(gè)控制器系統原理框圖如圖1所示。

作為主控制器的高速單片機選擇C8051F120。它是完全集成的混合信號片上系統型芯片，主要實(shí)現數學(xué)運算、控制算法和A／D采集等功能。
C8051F120具有如下特性：
◆高速、流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核(100 MIPS或50MIPS)；
◆真正12位、100 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān)；
◆兩個(gè)12位DAC，具有可編程數據更新方式；
◆2周期的16×16乘法和累加引擎；
◆128 KB可在系統編程的Flash存儲器；
◆8448(8 K+256)字節的片內RAM；
◆可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口；
◆硬件實(shí)現的SPI、SMBus／I2C和2個(gè)UART串行接口；
◆5個(gè)通用的16位定時(shí)器；
◆具有6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時(shí)器陣列；
◆片內看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監視器和溫度傳感器。
CPLD選用A1tera公司的低功耗MAXII系列的EPM570T100。它含有570個(gè)邏輯單元(LE)，等效于440個(gè)宏單元；8192位的用戶(hù)Flash存儲器，可滿(mǎn)足用戶(hù)小容量信息存儲要求；最大用戶(hù)I／0數為76，最短訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為4．5ns，內部最大時(shí)鐘頻率為304 MHz，完全滿(mǎn)足系統設計要求。EPM570T100主要和C8051F120的P1、P5、P6、P7接口，以及和編碼器的ABZ碼、8路輸出和8路輸入接口電路相接，實(shí)現和C8051F120的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)接口電路、外部定時(shí)中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計數電路、故障保護電路等功能。