（机械电子工程专业论文）基于dsp和cpld的运动控制器设计与研究.pdf

摘要 i 论文题目： 论文题目： 基于 dsp 和 cpld 的运动控制器设计与研究 专 业：专 业： 机械电子工程 研 究 生： 研 究 生： 黄磊 指导教师： 指导教师： 任德志 副教授 摘 要 摘 要 目前运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用 芯片(asic)作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于开放性总线的以 dsp 和 cpld/fpga 作为核心器件的开放式运动控制器，同时随着信息时代的到来和网络 的普遍应用，基于开放型结构的运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产 品之一。 本课题在深入研究分析了国内外开放式数控系统、运动控制器研究及开发现 状的基础上，设计并实现了具有当今运动控制器设计开发主流特色的具备网络接 口的基于 dsp 及 cpld 的运动控制器。研究内容主要包括： 1.研究、分析了国内、外开放式数控系统及运动控制器研究及开发现状； 2.规划运动控制器硬件及软件总体方案； 3.设计运动控制器的原理图、pcb 图，搭建系统硬件平台。 4.对系统的各个功能模块和通讯接口编写底层驱动软件及相关调试软件，实 现 cpld 内嵌硬件电路模块，并加以实验验证。 5.对课题进行总结并整理相关文档，得出课题研究结论并展望以后的工作。 本课题研发的运动控制器可为数控系统中运动控制的数字化解决方案提供 软、硬件开发平台，同时也可用于构建开放式结构体系的数控系统。 关 键 词: 关 键 词: 运动控制，dsp，复杂可编程逻辑器件，以太网，串行接口 论文类型: 论文类型: 应用研究 河南科技大学硕士论文 ii subject: the design and research of motion controller based on dsp and cpld specialty: mechatronics engineering name: huang lei supervisor: ren dezhi associate professor abstract troditionally, motion controller using mcu or asic as nuclear processor, now, this technology is devolped to using dsp and cpld/fpga as key part of open mode controller, usually, which based on opening bus. meanwhile, along with the coming of information age and the application of network on large scale, a new generation of motion controller based on open mode structure became the dominant product. on the basis of studying and analyzing the research and development status of domestic and foreign motion controllers, this paper designed and realized a motion controller based on dsp and cpld, which equipped with ethernet interface, for it is the feature of mainstream motion controllers development. research content of this paper are as follows: firstly, the status of nc and motion controller are researched and analyzed on a scale of domestic and overseas; secondly, hardware and software scheme of motion controller are work out; thirdly, schematic and pcb diagram of the motion controller is designed, then the hardware platform of system is constructed; fourthly, the low_level driver software and correlative debug software for each functional module is designed, embedded hardware modules inside cpld is realized, experiment for debug is carry out; fifthly,summarizing the works of the thesis, packing up relative files, inducing the conclusions and making an expectation of the thesis. the motion controller that this paper had designed can provide development platform for numerical resolve scheme of ncs motion control, meanwhile, it also can be used to construct nc system of open mode structure system. 河南科技大学硕士学位论文 iii key words: motion control，dsp，complex programmable logic device， ethernet，serial interface dissertation type: application research 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 引言 引言 制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，制造业 水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的 制造业，正经历着深刻的变革。在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统 结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和 动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。在这 场革命中，大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一，先 进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段1。 近年来，世界范围内出现了研究应用先进制造技术的浪潮，以机电一体化技 术为代表的先进制造技术已经成为当代国际间的科技竞争焦点，许多国家制定了 相应的计划，其中最据代表性的是美国的先进制造技术计划、韩国的高级先进技 术国家计划、日本的智能制造技术和德国的制造 2000 技术等。在我国，先进制 造技术的重要性业已引起各界的重视，被列为“九五”计划和 2010 年中长期科 技发展规划中的主要关键技术和重要发展方向。 数控技术是先进制造技术 (如 fms, cims)的基础。要发展先进制造技术， 首先必须重视制造单元技术 (数控技术、加工单元、柔性制造单元等)，因此， 在现代制造技术朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，深入研究新一代数控 技术具有重要的实用价值和意义。 1.2 运动控制技术概述 运动控制技术概述 运动控制起源于早期的伺服控制 (servocontrol)。简单地说，运动控制就是 对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹 和规定的运动参数进行运动。 早期的运动控制技术主要是伴随着数控（cnc）技术、机器人技术 （robotics）和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可 以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立 完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以 成为独立运行（stand-alone）的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机 河南科技大学硕士学位论文 2 械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功 能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用 rs232 或者 dnc 方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特 定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协 议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。通用运动控制器的发展 成为市场的必然需求2,3。 图 1-1 运动控制系统 fig. 1-1 motion control system 目前运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用 芯片(asic)作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于开放性总线的以 dsp 和 cpld/fpga 作为核心器件的开放式运动控制器，同时随着信息时代的到来和网络 的普遍应用，基于网络的嵌入式、开放型结构的运动控制器逐步成为自动化控制 领域里的主导产品之一。图 1-1 为运动控制系统的组成。 以 dsp 和 cpld/fpga 作为核心器件的运动控制器充分利用了 dsp 的高速数据 处理功能和 cpld/fpga 的超强逻辑处理能力，便于设计出功能完善、性能优越的 运动控制器，能够提供板上的多轴协调运动控制和复杂的运动轨迹规划、实时的 插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，并能够实现闭环控制。由于采用 cpld/fpga 技术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要 求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。同时，这类运动控制器大多 采用最普遍应用的以太网、工业标准串行接口 rs485 或者 rs232 接口完成控制系 统与外界的通讯功能，增强了控制系统的开放性，适应了网络化的发展趋势，这 种运动控制器越来越成今后运动控制器发展的主流。 第 1 章 绪论 3 1.3 国外运动控制技术研究现状 国外运动控制技术研究现状 近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善，通用运动控制器作为一 个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经 达到一个引人瞩目的市场规模。根据 arc 近期的一份研究，世界通用运动控制 （general motioncontrol gmc）市场已超过 40 亿美元，并且有望在未来 5 年内 综合增长率达到 6.36,7。 开放式控制系统的概念一出现，就被广大科研人员所接受，各国政府、企业 和科研单位都特别重视，并投入了大量的资金和人力进行相关研究。其中，最具 有代表性的是欧洲的 osaca、美国 mac、日本的 osec 计划。 1.osaca (open system architecture for control within automation system) 计划是在 1990 年由欧共体 22 家控制器开发商、机床生产商、控制系统 集成商和科研机构联合发起的，并于 1992 年得到欧盟的认可。osaca 认为一个 开放式控制系统应以一个平台为基础，由一组逻辑的、离散的组件组成，控制系 统本身不带有平台的任何信息，而组件与平台之间定义了很好的接口，允许不同 供应商提供的组件之间的协调工作，控制器可运行在不同的系统平台之上。 2.omac(open module architecture controller) 计划是由美国克莱思勒、 福特、通用三大汽车公司于 1994 年发起组织的，当时公布了“开放的模块化结 构控制器(omac)在汽车工业中的需求”的文件，其主要目标是降低控制系统的投 资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床的利用率。 3.osec(open system environment for controller)计划由东芝、三菱电机 等 6 家日本公司于 1994 发起的一个名为控制器开发系统环境的计划。osec 主要 内容是基于 pc 平台的开放式系统， osec 计划采用 pc+控制卡的结构，有利 于层次化、模块化、灵活配置的实现，为进一步开发 pc 机的潜能提供了软件基 础4-6。 dsp 技术和 fpga 芯片技术在美国得到高速发展，大大提高了美国制造业的 水平，美国的 mei、delta tau、galil, tech80 等公司，德国的 dspace 公司一 直致力于研究开放式多轴运动控制器。 1.4 国内运动控制技术研究现状 国内运动控制技术研究现状 “十五”期间，国内企业通过自主研发或与国外开展技术合作，在中档数控系 统的开发和生产上取得明显进展。如武汉华中数控公司、北京航天数控公司、西 南自动化所等单位先后开展了开放式数控系统体系结构和软硬件平台的研究，开 河南科技大学硕士学位论文 4 发了数控系统运动控制、可编程控制器和人机界面的二次开发软件包以及适合不 同加工工艺要求的功能组件，并基于这些功能组件建立了满足三类操作系统 （linux、dos、windows）开放式数控系统平台，并在研制的开放式平台 上派生了多种特殊数控系统。各系统所采用的体系结构并不一致，而是自成体 系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于具体实现 层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各系统软硬件不具备可移植性和 互操作性。 国内的运动控制器生产厂商主要有深圳固高、斯迈迪等，提供的产品大致可 以分为三类：第一类是以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控 制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对 轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。第二类是以专用芯片(asic)作为核心处 理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只 能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。这类控制器对单轴的点位控制场合是基 本满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动 控制器不能满足要求。由于这类控制器不能提供连续插补功能，也没有前瞻功能 (look ahead)，特别是对于大量的小线段连续运动的场合如模具雕刻，不能使用 这类控制器。另外，由于硬件资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采 用逐点比较法，插补的精度也不高。第三类是基于 pc 总线的以 dsp 和 fpga 作为核心处理器的开放式运动控制器7,8。这类开放式运动控制器以 dsp 芯片作 为运动控制器的核心处理器，以 pc 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形 式嵌入 pc 机，即“pc+运动控制器”的模式。这样将 pc 机的信息处理能力和 开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处 理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类运动控制器 通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差 补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用 fpga 技术来进行硬件设 计，方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定 制，形成独特的产品9。 控制系统的开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造 业的一大支柱，控制器结构的开放性为数控技术能持续不断地吸收日新月异的计 算机软硬件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能， 增强竞争力。开放式控制系统的研究，为我国数控产业的发展带来了新的契机， 我们应抓住这一机遇，迅速开展并深化我国的开放式控制系统的研究，缩小我国 第 1 章 绪论 5 制造业水平同发达国家的差距。 1.5 课题选题依据及课题主要研究内容 课题选题依据及课题主要研究内容 随着自动化技术的进步，传统的运动控制系统由于其自身的特性限制已不能 满足现代工业和社会发展的要求，其发展趋势就是采用“pc+运动控制器”的开 放式运动控制系统。开放式运动控制系统具有信息处理能力强、开放程度高、运 动轨迹控制精确、通用性好等特点，目前运动控制器越来越多地应用于各种工业 自动化行业。美国和一些欧洲国家对开放式运动控制器的研究和发展非常重视， 日本一些专家预测其应用的普遍性将与目前广泛应用的 plc 类似。 具有嵌入式结构的运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品， 它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上 是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产 品采用了更加可靠的总线连接方式(采用针式连接器)，更加适合工业应用。在使 用中，采用如工业以太网、rs485、sercos、profibus 等现场网络通信接口联 接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚 至可以通过 internet 进行远程诊断。例如美国 adept 公司的 smartcontroller， 固高科技公司的 gu 嵌入式运动控制平台系列产品等。 国内主要的运动控制器生产商在不断学习国外先进运动控制技术的过程中， 其产品也得到了长足的发展。但是，与国外相比我国从事运动控制技术研究和运 动控制器软硬件产品设计和开发的人员和企业还非常少，造成我国每年还需要从 国外进口大量的运动控制类产品。面对这种形势，我们非常有必要跟踪国内外运 动控制技术发展的新趋势，对运动控制技术进行深入的研究，积极开展开放式运 动控制器的研究与开发，增强国产运动控制产品在国内外市场上的竞争力。 适应当前信息化、网络化的发展趋势，结合国内外运动控制的现状和前景， 本课题设计研究了一种具有 ethernet 接口的基于 dsp 的运动控制器，提供了开 放性的 ethernet 接口、rs485/rs232 串行接口和 ecan 现场总线接口，易于系统 的集成、升级和配置。本课题主要任务有： 1.深入调查研究国内外制造业、开放式数控系统、运动控制器，剖析其行业 现状，规划运动控制器总体方案； 2.设计硬件电路，构建运动控制器硬件平台。该平台主要功能模块包括：电 源转换电路，dsp 硬件电路，网络接口电路，rs232/rs485 接口电路，can 总线 接口电路，差分整形电路，d/a 转换电路等； 3.规划并编写系统的各个功能模块和通讯接口编写底层驱动软件及相关调试 河南科技大学硕士学位论文 6 软件，编写 ethernet 接口固件程序，完成以太网接口驱动程序的编写调试。开 发基于 tcp/ip 协议的系统调试平台，实现运动控制器和 pc 机的以太网通讯。 4.利用 quatus-ii 软件开发平台构建 cpld 内各功能模块及接口模块，调试 并验证； 5.系统调试及试验验证：编写调试程序，完成系统其它硬件电路所规划功能 的调试和验证。 1.6 本章小结 本章小结 本章为绪论，主要介绍了运动控制的基本概念，以及国内外数控技术发展研 究的现状，在分析以上背景和现状的基础上提出了本系统的任务和规划，确定了 课题的设计方案及课题将要完成的工作。 第 2 章 运动控制器总体规划及设计 7 第2章 运动控制器总体规划及设计 第2章 运动控制器总体规划及设计 2.1 运动控制器总体设计思想 运动控制器总体设计思想 运动控制器历经分立电子元件、集成电路 (包括小、中、大、超大规模集成 电路)，直至微控制器的出现，使运动控制技术发生了质的飞跃一由硬件电路发 展到软件控制，成为软、硬件结合一体的复杂系统。运动控制系统也随之进入了 全数字化控制的新阶段。全面、深入调查研究国内外主流的运动控制器设计方 案，确定本课题涉及的运动控制器应遵循以下设计原则： 1.模块化。数控系统的模块化建立在各功能要素的逻辑分析基础之上，实现 了模块之间的标准联结，以及即插即用。模块化的构成要素能够满足用户和厂商 的多样化和多层次的要求。 2.动态配置系统。为实现更灵活的配置和更友好的操作，开放式数控系统能 够使系统在启动、运行状态下，完成系统的动态配置；其实现是基于系统拓扑结 构的动态生成，包括构成要素、参数化构成要素的功能、构成要素之间的信息流 组织等几个步骤10。 3.可移植性。系统的模块化保证了在同一软硬件平台上，具有相同功能构成 要素的可移植性。但由于软硬件平台的多样性，需要实现在多种软硬件平台上的 可移植性。这就要求开放式数控系统的规范应该不依赖于特定的软硬件平台，所 定义的数据结构、命名习惯、用户接口外观等有利于不同系统平台的实现。就软 件来讲，将采用分层设计模式设计应用程序，将与软、硬件有关的部分置于底 层，便于替换，实现移植。 4.可扩展性。开放式数控系统使用户或者二次开发者安全、有效地将自已软 件集成到个人计算机系统中，形成自已的专用系统。可以采用固定模块内部结 构，预留用户专用软件接口或提供给用户库函数和编程规范，供用户创建专用系 统使用。 5.个人计算机具有高可靠性和计算能力，硬件已实现标准化，pc 机上运行 的软件具有诸多功能，如友好的界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊 断、网络通讯等。充分利用计算机，采用程序开发工具，用通用编程语言编制软 件，便于生产商和用户添加自身具备独特技术特色的功能模块。 河南科技大学硕士学位论文 8 2.2 以太网技术用于工业控制的优势 以太网技术用于工业控制的优势 工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为 3 个 层次，从底向上依次为：现场设备层、制造执行层和企业管理层。最底层的现场 设备网络主要用于控制系统中大量现场设备之间测量与控制信息的传输。这些信 息报文的长度一般都比较小，对网络传输的吞吐量要求不高，但对通信响应的实 时性和确定性要求较高，同时要有较强的可靠性和安全性。由于以上特点和特殊 性，目前现场设备层主要由低速现场总线网络组成。 工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展。用户对统一的通 信协议和网络的要求日益迫切，信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到 管理层都能够实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的 现场总线尚不能满足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来 一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互 实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现 “自动化孤 岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。 以太网作为一种网络技术，它早已发展成为一种能够在不同平台间进行广泛 便捷的信息访问的重要手段。毕竟以太网就是构建因特网的基础性技术，其历史 久远，应用广泛，是一种成本较低的网络技术方案。以太网技术允许信息在网内 传递，尤其是还支持跨网络边界的信息传递，因此它同样成为工业环境下重要的 通信工具。与现场总线相比，ethernet 以其应用的广泛性和技术的先进性，不仅 在办公自动化领域形成了垄断性优势，应用于工业控制网络同样具有无可比拟的 优势。 1.软硬件资源丰富、成本低廉 以太网的广泛应用形成了广泛的软硬件基础和大量可用的灵活资源，并得到 众多软硬件厂商的支持，用户有多种硬件产品可以选择，而且硬件成本也相对低 廉。目前实现以太网接口的硬件成本只有实现 profibus, ff 等现场总线接口成 本的 1/10，并且随着电子技术的发展，其价格还会进一步降低。 2.通讯速率高 以太网的带宽在逐渐增加，通信速率不断提高，从 10m、100m 增大到现今 的 1000m、10g11，在数据传输总量相同的情况下，使网络碰撞的几率大大下 降。这为以太网应用于工业控制提供了足够的带宽，提高了应用于控制领域时的 确定性。 3.发展潜力大 第 2 章 运动控制器总体规划及设计 9 一直以来以太网技术都受到世界范围内的高度重视和大量技术、资金的投 入，各种新技术不断涌现，世界各国和各大厂商业积极协商进行工业以太网标准 的制定，以太网应用于工业中的关键性技术也得到不断的解决，以太网技术应用 于工业控制领域已经是一个不可阻挡的趋势，具有极大的发展潜力。 4.以太网可以克服现场总线不能与计算机网络技术同步发展的弊端。目前的 现场总线控制系统主要是低速总线，数据吞吐能力相当有限。同时有多种标准并 存，而且各个标准之间并不兼容，这给互操作性的实现带来了巨大的困难。而以 太网是世界范围内的网络标准，将其应用到现场设备的努力一直进行着，通过以 太网形成真正统一的标准也成为广大用户的希望。 由于以上优势，以太网己经成为现场总线未来发展的趋势。但是与 can、 profibus-dp、ff 等工业现场总线相比，以太网在应用于工业控制网络时，还 需解决以下关键问题： 1.通信服务的实时性 以太网应用于工业控制现场时，为满足工业自动化实时控制要求，而提出的 一系列通信特征要求，这些特征包括响应延迟、传输延迟、吞吐量、可靠性、传 输失败率、优先级等。将以太网应用于工业现场设备间通信时，应根据工业现场 控制系统实时通信要求和特点的分析，制定相应的系统设计、流量设计、优先级 控制、数据报重发控制机制等策略，以保证网络通信的实时服务质量。 2.可互操作性 可互操作性是指连接到同一网络上不同厂家的设备之间通过统一的应用层协 议进行通信与互用，性能类似的设备可以实现交换。这样，一方面提高了系统的 质量，另一方面为用户提供了更大的市场选择机会。可互操作性是决定某一通信 技术能否被广大自动化设备制造商和用户所接受，并进行大面积推广应用的关 键。 3.确定性及可靠性 通信非确定性是以太网进入控制领域的最大障碍，控制网络响应时间的非确 定性使人们无法对控制系统的可靠性做出正确评估而可靠性又是控制网络必须满 足的首要性质，所以工业以太网必须改善自身的确定性和实时性，目前采取的主 要措施有：提高通信速率、控制网络负荷。研究资料表明，当以太网通信负荷在 10%以下时，因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计12。在实际应用中，主 干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对重要的网段还可 采用冗余技术，以提高网络的抗干扰能力和可靠性11。 河南科技大学硕士学位论文 10 4.网络安全性 由于工业以太网可以接入因特网，实现数据的共享，使工厂高效率的运作， 但同时引入了一系列的网络安全问题。可以通过引进防火墙机制，进一步实现对 内部控制网络访问进行限制、防止非授权用户得到网络的访问权、强制流量只能 从特定的安全点去向外界、防止服务拒绝攻击以及限制外部用户在其中的行为等 效果。 可以预计，现场总线短期内不可能为工业以太网所替代，但以太网的巨大潜 力不容忽视，其应用领域定将不断地得到扩展。在未来应用于控制领域的网络技 术应该是以以太网技术为基础，融合传统现场总线的经验、特点，并增强网络的 实时性能，从而最终形成一种新型的高速现场总线。这种全新的网络技术应该能 够贯穿于整个网络的各个层次，其良好的互联性和可扩展性使之成为一种真正意 义上的全开放的网络体系结构。 2.3 运动控制器总体方案的规划 运动控制器总体方案的规划 计算机技术和信息化技术的发展日新月异，提高运动控制器的性能，增强运 动控制器与外界的信息互联是当前运动控制器发展面临的重要任务，运动控制系 统正朝着高速、高精度以及开放化、智能化方向发展，而高速高精度是靠运动控 制部件(即运动控制板)和执行部件(即伺服系统)来保证。这就要求控制系统的运 动控制器必须具有实时性好，可靠性高，高效率，运算速度快，灵活性好等特 点。传统的运动控制系统主要是基于单片机来实现位置调节、码盘信号处理等功 能。其缺点是由于器件本身执行速度的限制，伺服周期长，控制轴数少，控制精 度低等。而基于 dsp(digital signal processor)的运动控制器能很好地处理这些问 题13-15。 dsp+cpld/ fpga 结构模式已成为运动控制类产品的主流，本课题以 ti 公司 的 28x 系列 dsptms320f2812 和 altera 公司的最新 cpld 器epm1270t 为核 心，开发出具有以太网接口、rs485/rs232 接口以及 ecan 接口的运动控制器， 可实现对三根轴的高性能运动控制，并具有友好灵活的开放性接口，易于系统的 集成、升级以及更新配置。 1.系统采用基于 dsp 和 cpld 的开放式总体结构模式。 这种结构易于实现系统的层次化设计和功能的模块化实现，它充分利用 dsp 的高速数据处理功能和 cpld 的强大逻辑处理能力，可以实现各种复杂的实时控 制。系统中运动控制器和伺服电机构成闭环控制，前者以模拟电压的形式给出控 第 2 章 运动控制器总体规划及设计 11 制信号，后者通过增量式码盘反馈实际的运动状态。通过板载 ethernet 网络接 口，运动控制器可以实现与 pc 机的通信，系统升级、远程诊断、检测等功能得 以实现。 2.系统选用高速的 32 位 dsp 芯片 tms320f2812 作为系统的核心和主控芯 片。 系统主控芯片的性能很大程度上决定整个运动控制器的性能，采用最新的高 速 dsp，充分利用了 dsp 的数据处理能力，易于实现高速高精度的控制，以满足 系统实时控制的要求。主要完成：三根轴（两根伺服轴和一根主轴）之间的协调 控制，对运动的目标位置、速度、轨迹等的插补运算以及和其它接口器件的通 讯，对 4 路模拟电压信号的高速 12 位 a/d 转换，2 路 pwm 控制信号的产生和输 出，2 根伺服轴的三相码盘反馈信号的处理，对 8 路大电流 i/o 输出的控制，对 8 路数字 i/o 接口的控制。 3.系统采用 cpld 器件集成和处理诸多外部逻辑和接口。 cpld 具有超强的逻辑处理能力和极大的灵活性，使系统更具人性化、柔性 化和集成化，从而可以根据用户的具体要求迅速对系统进行更新和重新配置。系 统中 cpld 的主要模块和任务：lcd 液晶缓冲驱动模块,完成 lcd 显示数据的缓冲 驱动任务,减少 lcd 占用 dsp 时间； d/a 数据并行变串行转换模块,完成将 dsp 输出的 16 位数字控制信号由串行数据到并行数据的转换；码盘处理模块,完成对 一路三相正交码盘信号的处理； i/o 控制扩展模块：完成 8 路数字 i/o 控制功 能以及对三个伺服驱动器（与三个伺服轴电机相对应）的控制信号和状态信号， 共计 16 路信号的控制。 4.适应网络化趋势，系统板载 10m/100m 自适应 ethernet 接口，使系统具有 更大的开放性，易于系统的外部连接、远程操作、远程诊断、远程在线升级和重 新配置。 5.提供现场级互联的 ecan 总线接口、rs485 工业标准串行接口以及 rs232 通用串行接口，使系统的实现和连接具有更大的灵活性。 系统中 pc 机与运动控制器的通讯可以通过 ethernet 接口实现，也可以通过 rs485/rs232 接口实现；ethernet 接口还可以用来实现本系统与其它系统的远程 通信，完成信息的远程交互、系统的在线升级和故障诊断等；ecan 总线接口主 要用来完成对系统的扩展以及实现运动控制器与外界系统的现场级互连。 河南科技大学硕士学位论文 12 2.4 运动控制器总体硬件结构 运动控制器总体硬件结构 运动控制器包括电源模块、dsp 模块、cpld 模块、存储模块、d/a 转换模 块、差分整形模块、i/o 光电隔离模块、lcd 液晶缓冲驱动模块、电流输出模 块、模拟电压输出模块、各个接口模块（can,rs232/485,网络等接口）。其中， 主轴电压输出、主轴码盘信号输入、两路伺服轴码盘电压输出、两路伺服轴码盘 信号输入、及其左下侧的报警、复位、使能、限位(limit)、原点（home）等信 号都是为系统设计的一路主轴两路伺服轴服务的。另外包括 4 路模拟电压输入 （可作为模拟信号的采样输入），8 路大电流输出等构成了数控机床的接口。图 2-1 为运动控制器总体结构图。 i/o 接 口 lcd缓冲驱动器 主轴 码盘 接口 dac 接口 sci接口 i/o控制 spi接口 qep模块 a/d转换 can接口 xint外部接口 光 电 隔 离 d/a 转换 差分 整形 lcd显示 外部 扩展 f l a s h 整形滤波 网络接口 积分放大 差分整形 i/0 模块 pwm模块 d s p 3路复位信号 3路使能信号 3路报警信号 8路数字输入 4路limit信号 3路home信号 2路pwm方向信号 2路电压输出 主轴码盘 can总线 以太网 232/485总线 模拟输入 码盘输入 cpld 伺服电机 图 2-1 运动控制器结构图 fig. 2-1 the structure of motion controller 第 2 章 运动控制器总体规划及设计 13 2.5 本章小结 本章小结 基于 dsp 和大规模可编程逻辑电路实现运动控制器的结构在开放式数控系统 中具有非常光明的应用前景，将是运动控制器开发的主流方向。采用数字信号处 理器（dsp）作为核心处理器，因其内部采用了与一般微处理器不同硬件结构， 使其特别适于数据处理，而且运算速度快，实时性好，这就使得很多复杂的控制 算法和功能得以实现。复杂可编程逻辑器件（cpld）的应用，使得整个系统在硬 件结构上更加优化，在软件开发上更加简洁。系统中部分逻辑控制功能和外围接 口电路模块被集成在其中，既提高了系统的可靠性和稳定性，又保证了系统具有 良好的开放性，同时还给系统的设计和调试带来很大的方便17。 本章阐述了运动控制器的开发原则，讨论了以太网应用于控制领域的优势并 规划出总体设计方案，确定了运动控制器将要实现的功能。 第3章 运动控制器硬件设计 14 第3章 运动控制器硬件设计 第3章 运动控制器硬件设计 3.1 运动控制器关键芯片介绍 运动控制器关键芯片介绍 运动控制器采用数字信号处理器 (dsp)与可编程逻辑器件（pld）相集合， 配以少量的辅助电路来实现。这样的硬件电路设计集成度高、开发周期短、可靠 性高、系统性能稳定。 在运动控制器所涉及的各类元器件中，采用 ti 公司的 28x 系列的 dsp 芯 片tms320lf2812 为核心控制芯片,实现系统各模块的软件控制功能。采用 altera 公司 max ii 系列的 cpld 芯片epm1270t144c5 为辅助芯片，实现硬件逻 辑接口功能。 3.1.1 dsp 芯片 tms320f2812 dsp 芯片 tms320f2812 随着控制理论和计算机技术的不断发展，以及工业和军事领域的相关技术要 求的不断提高，对控制系统的体积、可靠性、快速性、廉价性要求也越来越严 格。这就要求18：一、控制算法越来越复杂，控制过程的运算量越来越大，同 时控制时间要求越来越短；二、控制系统的关键芯片的相关外设集成度高、系统 体积小、可靠性高；三、芯片的性价比高，实现工业和日常生活的普遍应用。而 应用广泛的单片机根本无法满足工业控制现场的这些要求。dsp 芯片则是为了满 足数字信号处理而制造的一类专用微处理器。 自从 20 世纪 80 年代初 dsp 芯片诞生以来，dsp 芯片得到了飞速的发展。 dsp 芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也得益于巨 大的应用市场。在 20 年的时间里，dsp 芯片已经在信号处理、自动控制、通 信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，dsp 芯片的价格也越来越低，性能 价格比日益提高，具有巨大的应用潜力19。 ti 公司生产的 tms320c28x 系列是 32 位定点 dsp 芯片，既具有数字信号 处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量 数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表 及电机、马达伺服控制系统等领域20，该系列处理器是基于 tms320c2xx 内核 的定点数字信号处理器。28x 的代码和指令与 f24x 系列数字信号处理器完全兼 容。与 24x 系列处理器相比，28x 具有更高的计算精度（32 位）和更高速的数 河南科技大学硕士学位论文 15 据处理能力（150mips），同时片上还集成了更大容量的 flash 存储器 （64k128k）、18k 的 ram、功能强大的事件管理器（eva、evb）、高性能 的 12 位双路 16 通道的 adc 模块，同时提供了可编程的外部接口（xintf）、 多通道串行口（mcbsp）、串行外围接口（spi）等诸多先进的功能模块和友好 灵活的接口，为系统的应用开发和外围扩展提供了极大的硬件基础和灵活性，成 为电机和其它控制领域应用的良好平台4-6 ，tms320f281x 的功能框图如图 3- 1 所示，tms320f281x 系列 dsp 具有如下的特点： 图 3-1 tms320f281x 的功能框图 fig. 3-1 functional block diagram of f2812 第3章 运动控制器硬件设计 16 1.采用高性能静态 cmos 工艺，主频达到 150mhz，采用低功耗设计，核心电 压 1.8v，i/o 接口和 flash 编程电压为 3.3v；高性能的 32 位 cpu，哈佛总线结 构，16x16 和 32x32 的乘法累加操作，16x16 位的双乘法器，快速的中断响应和 处理能力；统一的寄存器寻址模式；4mb 的程序/数据寻址空间；高效的代码转 换功能（支持 c/c+ 和汇编）；与 tms320f24x 系列代码兼容。 2.片内存储器：最多达 128kx16 位的 flash 存储器；1kx16 位的 otp rom； 两块 4kx16 位的单周期访问 ram（sram）：l1 和 l0 块；一块 8kx16 位的单周期 访问 ram：h0； 两块 1kx16 位的单周期访问 ram：m0 和 m1。 3.外部存储器扩展接口（xintf）：最多 1m 的寻址空间；可编程的等待周 期；可编程读写选择时序；3 个独立的片选信号。 4.时钟和系统控制：支持动态改变锁相环的倍频系数；具有片上振荡器；内 置看门狗定时模块。 5.中断及定时器：三个外部中断；外设中断扩展模块（pie）支持 96 个外设 中断；三个 32 位 cpu 定时器。 6.电机控制外设：两个增强型事件管理模块（eva 和 evb）：每个模块包 括：两个 16 位的通用目的定时器；8 通道 16 位的数字 pwm；对称、不对称或四 个空间矢量 pwm 发生器；死区产生电路和配置单元；三个完全比较单元；三个捕 捉单元，捕捉外部事件；三相正交脉冲编码电路； 7.串行通讯接口：高速串行接口 spi；两个 uart 接口模块（sci）；增强型 ecan2.0 接口模块；多通道缓冲接口（mcbsp）。 8.12 位的高速模数转换模块：2x8 通道复用输入接口；两个采样保持电路； 单/连续通道转换；最高采样带宽为 12.5msps。 9.电源管理：包括空闲、等待、挂起等三种低功耗模式，可通过 lpmcr0 和 lpmcr1 两个低功耗模式寄存器灵活配置。 3.1.2 cpld 芯片 epm1270t144c5 cpld 芯片 epm1270t144c5 可编程逻辑器件 pld( programmable logic device)是允许用户编程(配置) 实现所需逻辑功能的数字专用集成电路, 是在 pal，gal 等逻辑器件的基础上发 展起来的，它与分立元件相比，具有速度快、容量大、功耗小和可靠性高等优 点。由于集成度高，设计方法先进、现场可编程，可以设计各种数字电路，因 此，在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域内 得到了广泛应用。不久的将来将全部取代分立数字元件，目前一些数字集成电路 河南科技大学硕士学位论文 17 生产厂商已经停止了分立数字集成电路的生产。目前，应用最广泛的是现场可编 程门阵列 fpga 和复杂可编程逻辑器件 cpld。 fpga 大部分都是基于 sram 工艺设计的，在掉电后信息就会丢失，一定需要 外加一片专用配置芯片，在上电的时候由专用配置芯片把数据加载到 fpga 中， 然后 fpga 才能正常工作。而 cpld 是一种非易失性单芯片结构，不需要配置芯 片，尤其是对于 maxii 系列 cpld 来说，由于基于类似于 fpga 的结构设计，采用 了新的逻辑结构体系，而在大容量和价格上取得优势，并内嵌 flash 解决了 fpga 易失性的问题。基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件 描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码 传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。它具有编程灵活、集成度高、设计开 发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验 要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的 电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用中 小规模通用数字集成电路的场合均可应用 cpld 器件 cpld 器件已成为电子产 品不可缺少的组成部分21。 表 3-1 max ii 系列器件参数特性22 tab. 3-1 max ii device features feature epm240 epm570 epm1270 epm2210 les 240 570 1270 2210 typical equivalent macrocells 192 440 980 1700 equivalent mcrocell range 128 to 240240 to 570 570 to 1270 1270 to 2210 ufm size(bits) 8192 8192 8192 8192 maximum user i/o pins 80 160 212 272 1( ) pd tns 4.7 5.5 6.3 7.1 () cnt fmhz 304 304 304