基于DSP的运动控制器的课程设计说明书.doc

山东建筑大学课程设计说明书山东建筑大学课 程 设 计 说 明 书题 目： 基于DSP的运动控制器的设计课 程： DSP原理及应用课程设计院 （部）： 信息与电气工程学院专 业： 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2013年7月目录摘 要I1.设计目的2.设计要求I3.设计内容 I3.1系统的构成与原理I3.1.1.系统的构成I3.1.2.系统的工作原理I3.2系统的硬件电路描述.I3.2.1电源模块.I3.2.2.外围存储器模块I3.2.3.USB模块I3.2.4.SCI串口模块I3.2.5.PCI总线模块I3.2.6.I/O输入输出接口模块I3.2.7.DSP+CPLD主控模块I总结与致谢.I参考文献.I10摘 要由于DSP将超强的高速实时处理能力和丰富的外设功能集于一身，目前，以DSP为核心的嵌入式运动控制器已经成为开放式运动控制器的发展主流，并获得广泛的应用。本设计要求对运动控制器基本功能进行研究，在分析、消化已有的基于DSP的运动控制器硬件资源基础上，设计一种运动控制器。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。关键词：DSP；CPLD；USB；I/O1 设计目的运动控制器是一种用于多种运动控制场合的上位控制单元，通常采用专业运动控制芯片或高速DSP来控制步进电机或伺服电机。运动控制器与PC机构成主从结构。PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控工作；控制器完成运动控制的细节。运动控制器配有库函数供用户调用，这种开放的结构能够广泛应用于制造业中设备自动化的各个领域。2 设计要求由于DSP将超强的高速实时处理能力和丰富的外设功能集于一身，目前，以DSP为核心的嵌入式运动控制器已经成为开放式运动控制器的发展主流，并获得广泛的应用。本设计要求对运动控制器基本功能进行研究，在分析、消化已有的基于DSP的运动控制器硬件资源基础上，设计一种运动控制器。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。根据设计题目的要求，选择确定DSP芯片型号，给出系统的各个硬件电路模块具体电路的实现过程。3 设计内容3.1系统的构成与工作原理 3.1.1系统的构成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。3.1.2 系统的工作原理 本系统由上位机通过双端口RAM把运动控制指令或控制参数传递给运动控制器的DSP，DSP根据采集到的PC机指令，通过位置控制和速度控制算法进行计算。然后将计算出的脉冲信号经脉冲驱动送电机驱动。3.2系统的硬件电路描述3.2.1 电源模块本设计采用外部5V直流电压供电，电源插孔标识为内正外负。电源芯片TPS767D318为双电源输出，一路为3.3V、一路为1.8V，分别为外围电路和CPU供电。每路电源的大输出电流为1A。3.2.2 外围存储器模块选用的RAM 型号为CY7C1021，64K16bit 大小。在我们的核心板中，通过与门电路实现逻辑将其共用为程序RAM 和数据RAM。3.2.3 USB模块PDIUSBD12 是一个性能优化的USB器件。通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信也支持本地DMA。传输该器件采用模块化的方法实现一个USB接口允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本。主端点有双缓存配置，增加吞吐量，容易实现实时数据传输，在块传输模式下有1MB/s的数据传输率，在同步传输模式下有1Mb/s 的数据传输率。具有总线供电能力有非常好的EMI性能；片内8kV静电保护；双电压工作(3.30.3 V)或扩大的5 V电压范围3.65.5 V，多中断模式方便块传输和同步传输。3.2.4 SCI串口模块RS232接口芯片采用的是MAXIM 公司的MAX232。板上TX_232,RX_232 标识是指PC端的的发送和接收。串行通讯的双方的TX，RX必须反接。所以在原理图MAX232 电路中PC的TX_232 输出的是目标板的SCIRXD，目标板的SCITXD 经过MAX232 上输出的是PC 的RX_232。MX232具体学习请参考其数据手册。3.2.5 PCI总线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。3.2.6 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。3.2.7 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。总结与致谢运动控制技术是数控技术的核心，近年来，随着开放式数控系统的大力发展，开放式运动控制器也得到了前所未有的发展。运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类标准部件，已经被越来越多的产业领域接受，并且已经达到一个令人瞩目的市场规模。DSP 的高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能都得以实现，且DSP 将实时处理能力和丰富的外设功能集于一身，大幅度减少了控制器外部元器件的数量，提高了系统的可靠性。目前，以DSP 为核心的嵌入式运动控制器已经成为开放式运动控制器的发展主流，并得到了广泛的应用。本文通过对运动控制器基本功能的研究以及对 DSP 在运动控制领域的应用的分析，在已有的基于DSP 的运动控制器的硬件平台上，研制开发了配套的功能软件，实现了预期的运动控制功能。控制器已经成为开放式运动控制器的发展主流，并得到了广泛的应用。在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，魏老师给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，拓宽了我的思路。在此我向老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！在我的学习过程中，高老师也给了我耐心的指导和帮助。我在此对各位老师表示诚挚的感谢！参考文献1 吴宏，蒋仕龙，龚小云等，运动控制器的现状与发展，制造技术与机床，2004.2 郗志刚，周宏甫，运动控制器的发展与现状，电气传动自动化，2005. 3 张清明，基于DSP 的开放式运动控制器的研究及应用，硕士学位