基于DSP與FPGA的四軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與研究

摘要：針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和要求，通過(guò)對(duì)DSP TMS320F2812、FPGA EP2C8F256C6及以太網(wǎng)控刺器RTL8019AS的深入研究，設(shè)計(jì)了一種基于DSP與FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器以DSP和FPGA為核心器件，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)控制、高精度等具體問(wèn)題，規(guī)劃了DSP的功能擴(kuò)展，并在FPGA上擴(kuò)展了功能相互獨(dú)立的四軸運(yùn)動(dòng)控制電路。該電路實(shí)現(xiàn)了四路控制信號(hào)輸出，四路編碼信號(hào)的接收和處理，以及原點(diǎn)信號(hào)，正負(fù)限位信號(hào)等數(shù)字量的接收和處理。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性、模塊化等特點(diǎn)，能夠較好的滿(mǎn)足運(yùn)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(yùn)動(dòng)控制器

0 引言
運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是制造自動(dòng)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，研究和開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器是當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器已從以單片機(jī)和微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專(zhuān)用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，發(fā)展到了基于PC機(jī)平臺(tái)的以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為核心處理器的協(xié)處理架構(gòu)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。該控制器將PC機(jī)和DSP的信息處理能力與FPGA的外圍擴(kuò)展功能很好的結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、模塊化、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)概述
該四軸運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)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(jī)的控制參數(shù)，完成系統(tǒng)位置、速度控制及運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；FPGA完成運(yùn)動(dòng)控制器的精確插補(bǔ)功能和外圍電路的擴(kuò)展，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

運(yùn)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(hào)輸出；4路脈沖方向信號(hào)輸出；4路驅(qū)動(dòng)復(fù)位信號(hào)輸出；4路驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)輸出；4路差分編碼信號(hào)輸入；4路驅(qū)動(dòng)報(bào)警信號(hào)輸入；8路正負(fù)限位信號(hào)輸入；4路原點(diǎn)信號(hào)輸入；16路通用數(shù)字量。I／O。

2 DSP模塊設(shè)計(jì)
DSP根據(jù)從上位機(jī)接收的運(yùn)動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算規(guī)劃位置和規(guī)劃速度，生成所需的速度曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)的輸出規(guī)劃位置。TMS320F2812是TI推出的一款專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)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(dá)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(nèi)FLASH。有兩個(gè)事件管理器(EVA和EVB)，它們都是特定的外圍設(shè)備，為多軸運(yùn)動(dòng)控制器而設(shè)計(jì)的?？赏ㄟ^(guò)外部存儲(chǔ)器接口XINTF擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。DSP外圍模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。