一種嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)現(xiàn)

本文選用DSP與FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心部件，設(shè)計(jì)了通用型運(yùn)動(dòng)控制器。其中DSP用于運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、速度控制及位置控制等功能;FPGA完成運(yùn)動(dòng)控制器的精插補(bǔ)功能，用于精確計(jì)算步進(jìn)電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)元件的控制脈沖，同時(shí)接收并處理脈沖型位置反饋信號(hào)。本文對(duì)該運(yùn)動(dòng)控制器的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)控制器的總體性能指標(biāo)為：作為一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)控制器使用，控制信號(hào)采用數(shù)字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機(jī);最高脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反饋信號(hào)最高頻率為4MP/s;能接收和處理4路編碼器反饋信號(hào);可以處理原點(diǎn)信號(hào)、正負(fù)方向信號(hào)、到位信號(hào)以及急停信號(hào)等數(shù)字量輸入信號(hào);提供16路數(shù)字量輸出信號(hào)和16路數(shù)字量輸入信號(hào)接口。運(yùn)動(dòng)控制器采用DSP與FPGA芯片作為主控芯片，主要包括DSP模塊、FPGA模塊、FPGA外圍電路模塊和數(shù)字量輸入輸出接口模塊。

　　采用基于DSP與FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器，能夠?qū)崟r(shí)完成復(fù)雜的軌跡運(yùn)算，而且利用DSP的高速數(shù)字信號(hào)處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優(yōu)點(diǎn)，能充分顯示該運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)。采用DSP與FPGA相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)控制器可以方便地對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行修改，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修正，并可使設(shè)備具有良好的可靠性、可維修性，而且還降低了成本。系統(tǒng)還可以采用更多的智能控制策略，結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適合于模塊化設(shè)計(jì)，能夠提高算法效率，且易于維護(hù)和擴(kuò)展?？傮w設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 DSP模塊

　　本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專用DSP，內(nèi)含F(xiàn)LASH，主頻高達(dá)150MHz，具有數(shù)字信號(hào)處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合。

　　選用TI公司生產(chǎn)的TPS767D318芯片來實(shí)現(xiàn)TMS320-F2812的電源設(shè)計(jì)，將5V電源分別轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V。

　　SRAM是DSP常用的外圍存儲(chǔ)器，它具有接口簡(jiǎn)單、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇大小為64KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器CY7C1021作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。DSPF2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。

　　復(fù)位電路設(shè)計(jì)采用TI公司的TPS382x系列電壓監(jiān)控電路，此系列電路不需要外圍電路即可組成監(jiān)控電路。SCI模塊用于擴(kuò)展RS-232和RS-485串行通信接口;CAN模塊和外部CAN工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線相連;外部接口用于與FPGA連接和擴(kuò)展數(shù)字量輸入輸出。