基于嵌入式系統的專(zhuān)用運動(dòng)控制器硬件平臺設計
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1 引言
隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應用。因此將嵌入式技術(shù)與運動(dòng)控制技術(shù)相結合，研制出高速高精度嵌入式運動(dòng)控制器具有重要意義。本文設計了一種以TMS320VC5402為核心處理器，適用于多輸入多輸出專(zhuān)用運動(dòng)控制器硬件平臺。該平臺能夠實(shí)現多傳感器信號采集、信息融合、位置控制算法、網(wǎng)絡(luò )功能、多路輸出給驅動(dòng)系統，實(shí)現信息/能量轉換。
2 運動(dòng)控制器平臺硬件設計
2.1 運動(dòng)控制器系統硬件結構
根據運動(dòng)控制器接口要求將系統分為主電路和外設兩個(gè)部分。主電路部分由以TI公司的處理器芯片TMS320VC5402為主體的數字電路構成；外設部分由相關(guān)外圍接口電路構成。按照功能不同可以分為以下幾個(gè)模塊：DSP最小系統、網(wǎng)卡接口電路、PCI接口、串口收發(fā)電路、模擬量，脈沖量和開(kāi)關(guān)量的接口、人機交互接口。
2.2 硬件系統各功能模塊介紹
所謂最小系統是指在盡可能少的外部元器件和電路條件下，形成一個(gè)使DSP能夠正常運行的最簡(jiǎn)單的系統。本系統采用16位定點(diǎn)DSP TMS320VC5402為核心器件，構成整個(gè)系統控制核心。由于選用的TMS320VC5402其片內有可用于數據、程序空間的存儲器，因此，最小系統可由DSP本身以及晶體振蕩器、復位電路、譯碼電路等組成。
2.2.2 以太網(wǎng)通信接口電路設計
基于嵌入式系統的運動(dòng)控制器非常重要的功能之一就是要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )信息傳遞。因此需要s用網(wǎng)絡(luò )接口芯片來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )之間通信。在本系統中采用了REALTEK公司的RTL8019AS網(wǎng)絡(luò )接口芯片。
RTL8019AS 引腳可分為電源及時(shí)鐘引腳、網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)接口引腳、自舉ROM及初始化EEPROM接口引腳、主處理器接口引腳、輸出指示及工作方式配置引腳。由此將網(wǎng)卡硬件接口電路設計主要分為兩大部分：第一部分為網(wǎng)卡與DSP接口實(shí)現，第二部分為網(wǎng)卡芯片外圍電路設計。RTL8019AS的總線(xiàn)接口是與ISA總線(xiàn)兼容的，雖然不能與5402的外部總線(xiàn)直接接口，但是只要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的邏輯變換就可以了。另外，5402和RTL8019AS的引腳電平不兼容，因此它們之間對應的引腳不能夠直接相連，需要在中間加上電平轉換芯片，系統中的CPLD可以完成電平轉換功能，通過(guò)CPLD還能夠產(chǎn)生RTL8019AS的控制邏輯信號。
2.2.3 PCI 接口設計
由于在系統中對數據傳輸的速度以及實(shí)時(shí)性要求較高，所以采用方法之一即通過(guò) PCI局部總線(xiàn)的方法與主機的進(jìn)行通訊。這比傳統的通過(guò)ISA總線(xiàn)的方式來(lái)通訊的方法具有速度高、可即插即用、可移植性好等方面的優(yōu)勢。在本系統中，采用 TI的專(zhuān)用配套芯片PCI2040將PCI總線(xiàn)與DSP5402的HPI（Host Port Interface）接口進(jìn)行連接。
圖1 運動(dòng)控制器硬件框圖
圖2 AD轉換接口電路圖 圖3 DA轉換接口電路圖
2.2.4 RS-422A串口設計
RS422A 是一種以平衡方式傳輸的標準，可雙端發(fā)送、雙端接收。發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送及差動(dòng)接收。通過(guò)前者把邏輯電平變成電位差，完成始端信息傳送；通過(guò)后者把電位差變成邏輯電平，完成終端信息接收。并且RS422A采用雙線(xiàn)傳輸，大大提高了抗干擾能力。最大傳輸速率可達10 Mb/s（傳輸距離15 m時(shí)），傳輸速率降至90 kb/s時(shí)，最大傳輸距離可達1200 m，這能充分滿(mǎn)足系統的遠程要求。
RS422 通信接口芯片的選擇需要考慮芯片的通信速率是否滿(mǎn)足要求, 在設計中選擇MAXIM 的MAX3291 芯片。MAX3291 是一種全雙工的高速的RS422 通信接口芯片,具有輸出短路保護功能以及接收失效保護功能,它通過(guò)減少由長(cháng)線(xiàn)引起的內部信號干擾來(lái)增加可靠通信的距離與速度,通信速度可以達到5～10 Mbps。同時(shí),它還允許多達128 路同樣的RS422 通信接口芯片接在同一總線(xiàn)上,這為多機通信提供了方便。
2.2.6 D/A 轉換接口的實(shí)現
D/A轉換芯片采用TI公司的DAC7625UB。DAC7625UB與DSP的接口硬件電路如圖3所示。
圖中VrefH、VrefL分別為DA轉換的參考高電壓和參考低電壓，它表示模擬量輸出在兩者之間變化；CSDAC為選通信號低電平有效；R/W為讀/寫(xiě)信號，高電平代表處理器向DA發(fā)出讀命令，低電平表示向DA發(fā)出寫(xiě)命令； DA1-DA3表示4通道的模擬量輸出接口用來(lái)指示AD轉換完成；RST作為DA的復位信號，當該復位有效時(shí)，DA處于初始狀態(tài)；LDAC為處理器裝載 DA的使能信號。同樣，DA的這些控制和狀態(tài)信號都連在CPLD的I/O上，通過(guò)對CPLD編程即可實(shí)現處理器和DA的接口。
2.2.7 開(kāi)關(guān)量和脈沖量接口
系統提供7路標準TTL電平的脈沖量輸入輸出接口。包括2路20s一個(gè)下降沿有效的脈沖；2路周期分別為20ms和5ms，3V－5V差分方式脈寬 10us-20us，脈沖上升沿不超過(guò)0.5us；周期1ms，3V－5V差分方式脈寬10us-20us的信號3路。同時(shí)還需要處理14路直流+24V 和4路直流+27V開(kāi)關(guān)量?？梢酝ㄟ^(guò)CPLD實(shí)現這部分功能，并且使系統具有可擴展性。由于脈沖量和開(kāi)關(guān)量接口部分的電平與系統提供的電平不一樣，因此需對脈沖量進(jìn)行隔離轉換，用到的器件主要是光電隔離和運算放大器。
脈沖量隔離轉換電路是為了測量脈沖量周期、頻率等值設計的，脈沖量通過(guò)高速光電隔離器件6N137進(jìn)行電氣隔離，減少干擾，然后送入CPLD，通過(guò)編寫(xiě)相應的硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現脈沖信號周期、頻率的測量。
3 實(shí)驗結果和結論
在完成運動(dòng)控制器硬件設計之后，我們使用TI的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)仿真器在開(kāi)發(fā)目標板上進(jìn)行仿真調試，現已脫機運行。初步實(shí)驗表明該平臺實(shí)現了多路模擬量、脈沖量和開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，能完成與網(wǎng)絡(luò )中其它主機通信。由于TMS320VC5402強大的運算功能，因此很容易就可實(shí)現多傳感器采集數據的信息融合和相應的位置控制算法。
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