單片機(jī)和CPLD的望遠(yuǎn)鏡伺服控制器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)基于高速單片機(jī)C8051F120和CPLD的高精度大型望遠(yuǎn)鏡的伺服控制器，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法、上位機(jī)通信和LCD顯示控制，CPLD實(shí)現(xiàn)增量式編碼器計(jì)數(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生以及I／O接口。該控制器可獨(dú)立進(jìn)行電機(jī)控制，也可配合上位機(jī)進(jìn)行控制，具有實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)、成本低、調(diào)試方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：C8051F120；CPLD；電機(jī)控制；內(nèi)?？刂?；LCD

引言
微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展推動(dòng)著伺服控制技術(shù)的進(jìn)步，控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)越來(lái)越高速化、小型化、模塊化，功能也日趨強(qiáng)大完善；而且，伺服控制技術(shù)是朝著更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展的，要求控制器算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、控制接口靈活，針對(duì)不同的伺服控制對(duì)象時(shí)硬件系統(tǒng)不變，軟件系統(tǒng)也可以完成參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。
在高精度大型望遠(yuǎn)鏡伺服控制應(yīng)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(duì)式和增量式編碼器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)有模擬電壓輸出或PWM脈沖輸出，通過調(diào)整電壓的大小或PWM的占空比來(lái)調(diào)整電機(jī)的速度。系統(tǒng)具有和上位機(jī)的通信接口以及一些邏輯輸入／輸出接口等。大型望遠(yuǎn)鏡是用于跟蹤測(cè)量空中飛行目標(biāo)或觀測(cè)天體目標(biāo)的精密光學(xué)設(shè)備。伺服系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分，它對(duì)于跟蹤目標(biāo)、精確測(cè)量目標(biāo)的位置以及其他參數(shù)都起著重要作用。伺服系統(tǒng)的性能會(huì)直接影響望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力，對(duì)望遠(yuǎn)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(qū)動(dòng)脈沖。
本文采用高速單片機(jī)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(hào)輸入；驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用帶死區(qū)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)；采用CPLD實(shí)現(xiàn)高速光電編碼器的AB碼計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)位數(shù)的設(shè)定以及32位的可逆計(jì)數(shù)，同時(shí)可以輸出高分辨率的帶死區(qū)的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本文結(jié)合高速單片機(jī)和CPLD的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)采用高速單片機(jī)作為主控制器來(lái)構(gòu)成低成本的伺服控制方案。CPLD具有編程靈活、集成度高、開發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。因此，選擇一款合適的CPLD可滿足伺服控制系統(tǒng)的AB正交碼計(jì)數(shù)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(qiáng)可靠性。整個(gè)控制器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

作為主控制器的高速單片機(jī)選擇C8051F120。它是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型芯片，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算、控制算法和A／D采集等功能。
C8051F120具有如下特性：
◆高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(100 MIPS或50MIPS)；
◆真正12位、100 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；
◆兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；
◆2周期的16×16乘法和累加引擎；
◆128 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器；
◆8448(8 K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；
◆可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；
◆硬件實(shí)現(xiàn)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(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列；
◆片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)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Flash存儲(chǔ)器，可滿足用戶小容量信息存儲(chǔ)要求；最大用戶I／0數(shù)為76，最短訪問時(shí)間為4．5ns，內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率為304 MHz，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)和C8051F120的數(shù)據(jù)總線和地址總線接口電路、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(jì)數(shù)電路、故障保護(hù)電路等功能。