51單片機和CPLD的望遠鏡伺服控制器設計

引言
微電子技術和計算機的發(fā)展推動著伺服控制技術的進步，控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)越來越高速化、小型化、模塊化，功能也日趨強大完善；而且，伺服控制技術是朝著更開放、更加模塊化的控制結構的方向發(fā)展的，要求控制器算法實現(xiàn)簡單、控制接口靈活，針對不同的伺服控制對象時硬件系統(tǒng)不變，軟件系統(tǒng)也可以完成參數(shù)的自動調(diào)整。
在高精度大型望遠鏡伺服控制應用場所，采用高精度光電編碼器作為主要反饋手段，主要有絕對式和增量式編碼器。驅(qū)動電機的信號有模擬電壓輸出或PWM脈沖輸出，通過調(diào)整電壓的大小或PWM的占空比來調(diào)整電機的速度。系統(tǒng)具有和上位機的通信接口以及一些邏輯輸入／輸出接口等。大型望遠鏡是用于跟蹤測量空中飛行目標或觀測天體目標的精密光學設備。伺服系統(tǒng)是望遠鏡的重要組成部分，它對于跟蹤目標、精確測量目標的位置以及其他參數(shù)都起著重要作用。伺服系統(tǒng)的性能會直接影響望遠鏡的觀測能力，對望遠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)動脈沖。
本文采用高速單片機C8051F120作為主控制器，與光電編碼器接口多為AB正交碼和零位信號輸入；驅(qū)動電機多采用帶死區(qū)PWM信號驅(qū)動有刷直流電機；采用CPLD實現(xiàn)高速光電編碼器的AB碼計數(shù)、計數(shù)位數(shù)的設定以及32位的可逆計數(shù)，同時可以輸出高分辨率的帶死區(qū)的PWM電機驅(qū)動信號。本文結合高速單片機和CPLD的優(yōu)點進行望遠鏡伺服系統(tǒng)的控制器設計。

1 系統(tǒng)硬件設計
設計采用高速單片機作為主控制器來構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，可實現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)字電路設計。因此，選擇一款合適的CPLD可滿足伺服控制系統(tǒng)的AB正交碼計數(shù)和PWM波形產(chǎn)生等電路接口要求，同時大大減小PCB面積，增強可靠性。整個控制器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

作為主控制器的高速單片機選擇C8051F120。它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型芯片，主要實現(xiàn)數(shù)學運算、控制算法和A／D采集等功能。
C8051F120具有如下特性：
◆高速、流水線結構的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；
◆兩個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)存儲器接口；
◆硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口；
◆5個通用的16位定時器；
◆具有6個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器陣列；
◆片內(nèi)看門狗定時器、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個邏輯單元(LE)，等效于440個宏單元；8192位的用戶Flash存儲器，可滿足用戶小容量信息存儲要求；最大用戶I／0數(shù)為76，最短訪問時間為4．5ns，內(nèi)部最大時鐘頻率為304 MHz，完全滿足系統(tǒng)設計要求。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，實現(xiàn)和C8051F120的數(shù)據(jù)總線和地址總線接口電路、外部定時中斷電路、譯碼電路、PWM脈沖發(fā)生電路、倍頻鑒向電路、計數(shù)電路、故障保護電路等功能。