基于DSP與FPGA的四軸運動(dòng)控制器設計與研究

摘要：針對數控系統的工作特點(diǎn)和要求，通過(guò)對DSP TMS320F2812、FPGA EP2C8F256C6及以太網(wǎng)控刺器RTL8019AS的深入研究，設計了一種基于DSP與FPGA的運動(dòng)控制器。該控制器以DSP和FPGA為核心器件，針對運動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)控制、高精度等具體問(wèn)題，規劃了DSP的功能擴展，并在FPGA上擴展了功能相互獨立的四軸運動(dòng)控制電路。該電路實(shí)現了四路控制信號輸出，四路編碼信號的接收和處理，以及原點(diǎn)信號，正負限位信號等數字量的接收和處理。具有結構簡(jiǎn)單、開(kāi)放性、模塊化等特點(diǎn)，能夠較好的滿(mǎn)足運動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)性和精確性。
關(guān)鍵詞：DSP；FPGA；以太網(wǎng)控制器；運動(dòng)控制器

0 引言
運動(dòng)控制技術(shù)是制造自動(dòng)化的關(guān)鍵基礎，其水平高低是衡量一個(gè)國家工業(yè)現代化的重要標志，研究和開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結構的運動(dòng)控制器是當前運動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著(zhù)集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，運動(dòng)控制器已從以單片機和微處理器作為核心的運動(dòng)控制器和以專(zhuān)用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動(dòng)控制器，發(fā)展到了基于PC機平臺的以數字信號處理器(DSP)和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為核心處理器的協(xié)處理架構的開(kāi)放式運動(dòng)控制器。該控制器將PC機和DSP的信息處理能力與FPGA的外圍擴展功能很好的結合在一起，具有信息處理能力強、模塊化、開(kāi)放程度高、運動(dòng)軌跡控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統概述
該四軸運動(dòng)控制器系統以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8F256C6為核心，DSP通過(guò)網(wǎng)口接收上位機的控制參數，完成系統位置、速度控制及運動(dòng)軌跡規劃；FPGA完成運動(dòng)控制器的精確插補功能和外圍電路的擴展，系統總體框圖如圖1所示。

運動(dòng)控制器的主要功能包括：4路模擬電壓輸出，電壓范圍為-10～+10 V，分辨率為16 b；4路脈沖量信號輸出；4路脈沖方向信號輸出；4路驅動(dòng)復位信號輸出；4路驅動(dòng)使能信號輸出；4路差分編碼信號輸入；4路驅動(dòng)報警信號輸入；8路正負限位信號輸入；4路原點(diǎn)信號輸入；16路通用數字量。I／O。

2 DSP模塊設計
DSP根據從上位機接收的運動(dòng)模式和運動(dòng)參數實(shí)時(shí)計算規劃位置和規劃速度，生成所需的速度曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)的輸出規劃位置。TMS320F2812是TI推出的一款專(zhuān)門(mén)用于電機控制的32位定點(diǎn)DSP芯片，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻高達150 MHz(指令周期6．67 ns)，低功耗，核心電壓為1．8 V，I／O電壓3．3 V，支持JTAG邊界掃描，128K×16 b的片內FLASH。有兩個(gè)事件管理器(EVA和EVB)，它們都是特定的外圍設備，為多軸運動(dòng)控制器而設計的?？赏ㄟ^(guò)外部存儲器接口XINTF擴展外部存儲器。DSP外圍模塊設計如圖2所示。