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基于DSP的运动控制器的探究
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2017-11-03
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1 运动控制器硬件结构
本运动控制器的硬件结构主要分为如下几个模块：DSP+CPLD 主控模块，包括 DSP 核心 模块和 CPLD 驱动与扩展模块;通信接口模块，包括 PCI 总线、USB 总线和串口;I/O 输入输 出接口模块以及外围存储器模块，包括 SRAM 和 FLASH。本运动控制器的硬件结构如图 1 所示。
图 1 运动控制器硬件结构图
1.1 DSP+CPLD 主控模块
本系统采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 为控制核心，这是工业界首批 32 位的控制 专用、内含 FLASH 以及高达 150MHz 主频的数字信号处理器，专门为工业自动化、光学网络及自动化控制等应用而设计的。TMS320F2812 采用哈佛总线结构，有独立的程序和数据空间;具有很强的运算能力，能够实时地处理许多复杂的控制算法;片上内存丰富，可支持45 个外设级中断和 3 个外部中断，提取中断向量和保存现场只需 9 个时钟周期，响应迅速; 片上集成了多种先进的外设，包括两个事件管理器（EV）、12 位 A/D、两个串行通信接口（SCI）、一个串行外围接口（SPI）以及一个多通道缓冲串行接口（McBSP）等;其通用输 入/输出多路复用器（GPIO）拥有多达 56 个 I/O 口，在系统的软件开发中正是利用了这些丰富的内外设资源，才实现了系统要求的各种功能。
本系统中选用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 系列的 EPM3128，这是一款高性能、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系统的控制对象是步进电机，所以设计中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口进行电机控制接口与 I/O 接口的输入输出，但是由于 TMS320F2812是低功耗处理器，其 GPIO 引脚的输出驱动能力有限，而且由于 DSP 是主控核心，负载比 较多，所以将所有输出信号都经过 CPLD 驱动后输出，提高信号的驱动能力。此外，CPLD还用于系统电路的译码，增加系统设计的灵活性和可扩展性。
1.2 通信接口模块
本系统在用作插卡式运动控制时利用 PCI 总线实现 DSP 与 PC 的通信。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外围部件互联）总线是 Intel 公司联合其他 100 多家公司于 1992 年推 出的基于新一代处理器的一种局部总线，是一种高性能 32/64 位数据/地址复用总线，能为 CPU 及外设提供高性能数据。PCI 总线具有严格的规范，目前已经发布了 PCI V1.0 和 V2.1规范，保证了其良好的兼容性;PCI 总线与 CPU 无关，与时钟频率也无关，可适用于各种平台，支持多处理器和并发工作;PCI 总线可以提供极高的数据传输速率，还具有良好的扩 展性。因此，PCI 总线在基于计算机总线的运动控制系统，即“PC+运动控制器”的结构中应用十分广泛。
本系统选用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片实现 PC 机和 DSP 之间的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控制器，它是基于应用层编程的接口器件，相对于其它基于 链路层编程的接口器件，使用和开发都很方便。本系统采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模块以及 MAX232 芯片转换成标准 RS-232 的通 信信号，实现正常的串口通信。
1.3 I/O 输入输出接口模块
本系统的输入/输出是通过 CPLD 的逻辑控制来实现的，以提高系统的工作可靠性和设 计柔性。考虑到运动控制器的可扩展性以及 DSP 的 GPIO 引脚的数量，共设计了 16 路数字量输出通道和 16 路数字量输入通道。数字量输出通道主要用于各轴方向、脉冲信号的输出以及一些外部设备的启停控制，如主轴及冷却液的开关控制等;数字量输入通道可根据用户 具体要求来定义其用途，如作为传感器接口，用于零点、限位信号的输入等。为提高系统应用的灵活性，系统输出采用了普通输出和差分输出两种方式，具体使用可由用户自行设定。
本运动控制器的硬件结构主要分为如下几个模块：DSP+CPLD 主控模块，包括 DSP 核心 模块和 CPLD 驱动与扩展模块;通信接口模块，包括 PCI 总线、USB 总线和串口;I/O 输入输 出接口模块以及外围存储器模块，包括 SRAM 和 FLASH。本运动控制器的硬件结构如图 1 所示。
图 1 运动控制器硬件结构图
1.1 DSP+CPLD 主控模块
本系统采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 为控制核心，这是工业界首批 32 位的控制 专用、内含 FLASH 以及高达 150MHz 主频的数字信号处理器，专门为工业自动化、光学网络及自动化控制等应用而设计的。TMS320F2812 采用哈佛总线结构，有独立的程序和数据空间;具有很强的运算能力，能够实时地处理许多复杂的控制算法;片上内存丰富，可支持45 个外设级中断和 3 个外部中断，提取中断向量和保存现场只需 9 个时钟周期，响应迅速; 片上集成了多种先进的外设，包括两个事件管理器（EV）、12 位 A/D、两个串行通信接口（SCI）、一个串行外围接口（SPI）以及一个多通道缓冲串行接口（McBSP）等;其通用输 入/输出多路复用器（GPIO）拥有多达 56 个 I/O 口，在系统的软件开发中正是利用了这些丰富的内外设资源，才实现了系统要求的各种功能。
本系统中选用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 系列的 EPM3128，这是一款高性能、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系统的控制对象是步进电机，所以设计中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口进行电机控制接口与 I/O 接口的输入输出，但是由于 TMS320F2812是低功耗处理器，其 GPIO 引脚的输出驱动能力有限，而且由于 DSP 是主控核心，负载比 较多，所以将所有输出信号都经过 CPLD 驱动后输出，提高信号的驱动能力。此外，CPLD还用于系统电路的译码，增加系统设计的灵活性和可扩展性。
1.2 通信接口模块
本系统在用作插卡式运动控制时利用 PCI 总线实现 DSP 与 PC 的通信。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外围部件互联）总线是 Intel 公司联合其他 100 多家公司于 1992 年推 出的基于新一代处理器的一种局部总线，是一种高性能 32/64 位数据/地址复用总线，能为 CPU 及外设提供高性能数据。PCI 总线具有严格的规范，目前已经发布了 PCI V1.0 和 V2.1规范，保证了其良好的兼容性;PCI 总线与 CPU 无关，与时钟频率也无关，可适用于各种平台，支持多处理器和并发工作;PCI 总线可以提供极高的数据传输速率，还具有良好的扩 展性。因此，PCI 总线在基于计算机总线的运动控制系统，即“PC+运动控制器”的结构中应用十分广泛。
本系统选用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片实现 PC 机和 DSP 之间的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控制器，它是基于应用层编程的接口器件，相对于其它基于 链路层编程的接口器件，使用和开发都很方便。本系统采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模块以及 MAX232 芯片转换成标准 RS-232 的通 信信号，实现正常的串口通信。
1.3 I/O 输入输出接口模块
本系统的输入/输出是通过 CPLD 的逻辑控制来实现的，以提高系统的工作可靠性和设 计柔性。考虑到运动控制器的可扩展性以及 DSP 的 GPIO 引脚的数量，共设计了 16 路数字量输出通道和 16 路数字量输入通道。数字量输出通道主要用于各轴方向、脉冲信号的输出以及一些外部设备的启停控制，如主轴及冷却液的开关控制等;数字量输入通道可根据用户 具体要求来定义其用途，如作为传感器接口，用于零点、限位信号的输入等。为提高系统应用的灵活性，系统输出采用了普通输出和差分输出两种方式，具体使用可由用户自行设定。
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