（模式识别与智能系统专业论文）基于dsp总线形式的多轴运动控制器的设计与实现.pdf

籀要 摘要 多轴运动控制器是现代运动控制系统的核心部件，在位爨控制和轨迹控制 等各种场合有麓广泛韵应用。茏其是在机器入控翻与数控翘工领域，它扮演繁 重要的角色。 本文所讨论酌运动控涮嚣脱骆予税嚣入鞴韵显徽舞辩手术系统( r o b o t i c s a s s i s t a n tm i c r o s u r g e r ys y s t e m ，简称r a m s ) 的多轴运动控制单元，在很好的究 成了r a m s 麓浚计要求后，我稻希望辩萁进行二次设诗谩其簸够痤掰予更多炎 型的运幼控制系统，成为一款通用的多轴运动控制器。 零文以嚣嚣研究譬三期润的工俸为蘩础，选取基手t i - d s p 5 4 0 2 静遴嗣多辘运 动控制器的设计与实现这个主题为论述对象，主要介绍了如下内容： 1 ) 控制嚣氇貉静设计愚憨，器箨选鍪，硬俘设计缨节； 2 ) c 5 4 0 2 d s p 的软件开发与运动轨迹插补算法； 3 基于歪s 荟查我袭，采蠲数字积分矮替浚熬嚣辘鞔述运凌控豢l 毯痔戆设计 与实现。 经过我键精心藜没计与瀵试，逶掰多辘遮动挖毒l 器具毒了_ 王捧稳定，缝襁 灵活，资源丰寓，可扩展性强等优点。最终的测试实验证明，该控制器的电路 莰诗& 够潢是多秘控剃 壬务对疆转戆簧求，瓣戳帮应瓣控裁程序与运动插於舞 法，能够完成一定精度的轨迹运动。此项研究工作为下一步的多轴运动控制系 绫珐戆瓣实兵l 纯奠定了坚实熬技术基戳。 关键字；多轴运动控制器d s p ：占片h p i 接口插补算法数字积分法 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e ri st h ec o r ep a r to ft h em o d e mm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hi su s e di nt h ea r e ao fp o s i t i o nc o n t r o la n dt r a j e c t o r yc o n t r o lw i d e l y e s p e c i a l l y i tp l a y sv e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h er o b o tc o n t r o la n dn u m e r i c a lm a c h i n et o o lc o n t r 0 1 t h em o t i o nc o n t r o l l e rt h a tw ef o c u s e do ni n 氆i sd i s s e r t a t i o nw a sb o r no u tf r o mt h e m u l t i a x i sc o n t r o lu n i to ft h er o b o t i ca s s i s t a n tm i c r o s u r g e r ys y s t e m ( r a m s ) a f t e r c o m p l e t i n gi t sj o bf o rr a m s ，w eh o p e di tw o u l dc o m et ob eag e n e r a lm u l t i ”a x i s m o t i o nc o n t r o l l e rw h i e l lc o u l db eu s e di nm o r ef i e l d s b a s e do nt h er e s e a r c hw o r kd u r i n gm yg r a d u a t e ds t u d y , t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e s h o wt od e s i g na n di m p l e m e n tt h eg e n e r a lm u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e rw i t ht h e t i d s p 5 4 0 2c h i p t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 ) p r i n c i p l eo ft h e c o n t r o l l e r sc i r c u i td e s i g n ，c h i ps e l e c f i o n ，d e t a i l so f h a r d w a r ed e s i g n ； 2 ) c 5 4 0 2d s p s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dp r i n c i p l eo fi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ； 3 ) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f2 - a x i st r a j e c t o r ym o t i o nc o n t r o l s o f t w a r e b a s e do ns i n el o o k u pt a b l ea n dd i g i t a ld i f f e r e n t i a la n a l y z e ri n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m b e n e f i t i n gf r o mf i n ed e s i g na n dd e b u g g i n g ，t h eg e n e r a lm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r h a st h ea l l r o u n dp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gs t a b l er u n n i n g ，f l e x i b l es t r u c t u r e ，r i c h h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c 宅a n ds t r o n ge x t e n s i b i l i t y t h ee x p e r i m e n tr e s e t p r o v e dt h a tt h i sm o t i o nc o n t r o l l e rc o u l dm e e tt h eh a r d w a r ed e m a n do fm a n yc o n t r o l t a s k s b ya d d i n gt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp r o g r a m a n dm o t i o ni n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h mb a s e do i lt h i sh a r d w a r es y s t e m ，i tc a ns u c c e s s f u l l yf i n i s h t h et a j e c t o r y m o t i o na tc e r t a i np r e c i s i o n t h i sr e s e a r c hw o r kc o n t r i b u t e st ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n t f o rt h eg e n e r a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e mt ob ea p p l i e di nt h ep r a c t i c e k e yw o r d s ：m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r d s p c h i p h p id d a i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：芝踉辛 d n ，建1 9 9 4 年底由糙m 、i n t e l 、 c o m p a q 和m i c r o s o f t 嚣公司联合开发创立的p c 外设接口标准。虽然u s b 憩线 是一种计算椒外设总线，p c i 总线是计算机雨部总线，僵_ ：露豹镁多工作梳潮都 缀楣似。同箕趣总线瓣范比较起来，u s b 总线具有以下特点； 1 ) 帮耩鼯用，支持热羧播，邀静静健糖惶； 2 ) 支掩多；盼设铸类； 3 ) 扩袋昝易，爵鞋涟攘多个设餐，并稻供多耱速率戆绩赣； 4 ) 灵活的数据佟输机制； s ) 与操作系统之闺懿瓣靛接l ； 随着u s b 2 。0 的接出，高达4 8 0 m b p s 的传输速度使曾鹾扰u s b 接v i 的数据 簧输速度闯麓也不复存在，大繁的交褥实褒u s b 2 0 秘议黎芯片毽逡溪在常溪上， 很多u s b 2 0 的应用范铡可供我们设计参考。另外由于u s b 接口电路的实现无 需设黉在诗黧橇雨帮，这戈浅黉箍e 释设诗z 终减少了缀多激簇，投大遮壤麴了 系统豹灵活性。基予以上一些因素豹考虑，我们最终在系统的上位执与多轴运 动撩镧嚣之潮选麓了u s b 2 。0 慧绫捧麓我织鹣接珏黟姣。 1 9 整三童兰垫重垫量型墨竺璺堡垦生 第四节硬件结构图 我们系统最终实现的硬件结构如图2 2 所示： 图2 2 多轴运动控制硬件结构图 2 0 第三章基于c 5 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 第三章基于c 5 4 0 2 的多轴运动控制器硬件设计与实现 第一节硬件设计思路与电路逻辑结构 运动控制器在开放式数控系统中扮演着十分重要的角色，它处于动控制系 统中的核心地位，它将上位机下达的控制任务进行分解，完成一定程度的插补 运算，并将具体的控制命令有序的分配下发给各个下层运动单元。一个成型的 运动控制器还会给用户提供完善的运动控制函数库和各种其它软硬件接口，满 足不同用户的不同要求。用户利用运动控制器提供的驱动程序，进行二次开发， 就能使该数控系统按照设计者的要求工作了。 本节我们将在对p m a c 这一典型的开放式多轴运动控制器认识的基础上， 提出对我们多轴运动控制器的一些性能要求。 3 1 2 典型的多轴通用运动控制器p i v i a c 如前文所述，p c n c ( 个人计算机数控) 是目前比较现实的n c 开放化的途 径，目前对开放式数控系统的研究就集中在插入p c 的n c 控制器的研究上。目 前己有不少著名的大公司开发出了开放式的运动控制器，表3 1 是一些公司的产 品的比较： 公司名称产品型号计算机要操作系统网络接口 求 a d v a n c e dr c s d n a l p c sw i n d o w sn t e t h e r n e t ； t e c h n o l o g y & f o r g u i ； s c r c o sm o t i o n r e s e a r c hc o r p r e a l t i m ek e r a lb u s ； b u r t o n s v i l l e f o rc o n t r 0 1p r o f i b u s m dd i s t r i b u t e d i 0 ； 2 l 第三章基于c 5 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 b r i d g e p o r t d x 3 3d u a l p c s p c d o s f o re t h e r n e t m a c h i n e sf n c g u i ； s e r i a lc h a n n e l b r i d g e p o r t ， m o t o r o l ai o ： c o n n6 8 k r e a l - t i m e k e r a lf o rc o n t r 0 1 c i m e t r i xl a c( 、x 3 0 0 0 s i n g l ep c w i n d o w sn to re t h e r n e t d r o v o u t a h l y n x o s p m a cm o t i o n v m e b u sc a r d c o g n e x o r d a t a c u b ev i s i o n c a r d s d e l t at a nd a t ap m a c n c s i n g l ep c w i n d o w s9 5p m a cm o t i o n s y s t e mi n e c a r d g ef a n u ci n cm m c 4p c t h r o u g h f a n u x c h a r l o t t e s v i l l e ， h s s bf r o n t e n df - b u s t o c n c v ap c t h r o u g h f r o n t e n d h i g h s p e e d s e r i a l b u s t o c n c h e w l e t t p a c k a r do a c 5 0 0d u a l p c sw i n d o w sn tf o re t h e m e t c o g u i s e r c o s m o t i o n l y n x o s f o rb u s c o n t r 0 1d e v i c en e t d i s t r i b u t e di o 表3 1 一些开放式运动控制器 其中的p m a c 是一个很有代表性的产品。 p m a c 全称可编程多轴运动控制器( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) ， 它是美国d e l t a t a ud a t as y s t e m s 公司于1 9 9 0 年推出的完全开放的体系结构、p c 机平台上的运动控制器。该产品使用d s p 5 6 0 0 2 为中央处理器，提供全新的高性 能数字控制技术和w i n d o w s 开发平台，满足用户在自动控制各领域中的应用。 现在，p m a c 己发展到第五代，其最新产品t u r b op m a c 可控制3 2 个轴，c p u 第三章纂予c 5 4 0 2 多辘运凌控靠器蠖 擎浸诗每实理 速度为1 5 0 m h z ，麒有光纤通讯、m a c r o 环形网嚣功能，在世界上处于领先地 位。 p m a c 的主要技术性能： 1 ) 伺服控联髓力 控制轴数：2 _ _ 3 2 轴卡 弱黻髑鬻小子5 5 徽移廉l 1 0 2 0 4 0 m h z 编码器计数速率 模叛量输澎1 6 霞d i a ( p m a c i ) 数字p w m ，脉冲方向输出( p m a c 2 ) s 瀚线鸯l 黼速 p i d + n o t c h 滤波器 最小分辫率：2 。5 a m 各种位置殿馈接口：增量绝对编码器、正弦编码器、光栅、磁栅、旋变、 激竞子涉纹等 位置精度：4 - 1 计数单位 缀淫采集壤度：1 诗数攀经 零误差硬件位置采集 由硬终比较戆“至g 位”默狰浚密 速度和加速度前馈控制 2 ) 运动稷痔彝逶遂： 板上用户存储器：籍2 k b 最大编程藏匿：1 2 8 x 1 0 1 2 诗数单位 速度范围：0 ，o 0 0 0 1 1 1 0 7 计数单位，秒 程序段执程速度： 5 0 0 稷序段，秒 提前多程序段加速控, u t o o o 程序段 最大用户糕序数：2 5 6 个 最大通道数：1 6 个，坐标轴可分缀定义 坐标系变换，正交修正、坐标旋转、比例缨放 编程语言：类似b a s i c 或g 代码 螺距误差补偿和刀具半径补偿 插补方式：直线、圆弧、赚旋线、样条 第三章基于c a 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 三次曲线轨迹计算 各种算术、三角函数、逻辑运算 1 0 2 4 个l 变量，用于系统初始化和伺服参数设定等 1 0 2 4 个m 变量，用于对p m a c 存储器和i 0 的存取 1 0 2 4 个q 变量，通用变量，4 8 位浮点格式 1 0 2 4 个p 变量，通用变量，4 8 位浮点格式 从上述技术性能可以看出，p m a c 不但具有了所有的数控功能，更重要的 是具有一个开放的开发环境，不同的用户可以根据自己的需要，合理的组建自 己的控制系统，而且可以很好的加入自己开发的功能。这代表了数控发展的方 向。 3 1 3 硬件设计思路 本论文所讨论的多轴运动控制器，脱胎于先前所设计的微操作机器人和显 微外科手术辅助机器人的多轴运动控制器，所以在任务需求和性能指标上有一 定的延续性。 结合p m a c 相关工作任务和参数，以及两个多轴机器人的作业要求，我们 对多轴运动控制器应该有以下一些考虑。 1 ) 应该具有很强的运算能力。实际的工作任务对多轴运动控制器的运算能 力要求很高。 首先是来自上位机的控制命令种类和数量较多，其中有些比较频繁，比如： 来自上位机，由人工通过鼠标或者键盘下达的单轴或多轴动运动命令； 来自上位机中已经编写好的运动控制函数，可能有些特定的轨迹运动函 数会频繁的要求下位机进行动作： 来自主操作手或其它人工操作设备。这些设备上都有不同类型的传感 器，它们也会发出频繁大量的运动指示信息； 来自自动化输入设备。比如一些高速的传感器，激光干涉仪等。 其次控制器被用于多轴精密控制时，一方面同时要求同时控制的轴数较多， 另一方面由于控制精度要求高，因此控制周期越短( 比如显微外科手术机器人 就要求控制周期要小于1 0 m s ) 越有利于提高精度。 再次，在一些要求多轴联动( 比如三轴) ，完成较复杂的空间曲线轨迹时， 第三章基于c 5 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 裹精度大娥援媳捶 逡箕是无法避免的。 鑫l 魏，我髓可以嚣出大量熬数撰处理瓣多轴遮韵控巷器魏运爨熊力礴很高 豹簧裳。这就是说，程选取中央她理单元鲍财候，c p u 襄霄： 速度快。至少达到1 0 0 m h z ； 效率赢。要有多级流水线； 搜宽大。至少黪煮1 6 经靛数援授竟； 资源多。能够提供比较丰富多样外围接口，以及片内存储器和算法 专用鬻存器等等。 2 ) 控制器电路中要有充足的秘序和数据存储空间，来配合c p u 对大凝数据 戆处理。开放式的系统架构鄹繁黧的系统任务决定了这一点。一方谢，开放式 的架构，要考虑用户的多种控制饭务需求，这就簧求在控制器中能够预先留有 供用户使用的尽可能多的存储空阀。另一方箍，大爨控翻任务要求有数蕊足够 的程序空阃，给编程人员照大的英活性，另外在处理一姥运动控制任务时，为 了提高响应速度，提高控制精度，瑟用数据表的形式来代替实时涵数运算，越 是高精度的控制，他的数据袭就越发庞大。 3 ) 多辘运动控制器与上位杌( 如p c 枫) 之赫碰该膏稳定高速，功箍强大 的通信接口。而麒这种接口能够邋应不同的上位机环境。一方面用户可以通过 这个接口，从人视界面获般来自箨个轴和执行机构反馈静运动信惑，男一方溢， 主机可以通过这个接口向多轴运动控制器下发各种拄制命令。同时我们迸要求 这个接口肖一定韵通用往和兼容慷，能够适皮不阉类垄的圭梳。 4 ) 必须拥有高速、稳定、易于扩展的i o 总线接口。这些v o 接日将被用 束完成和电机驱幼奄路静通禳，戳及反镶连爰态静读取。魄较传统豹多辕运动控 制系统的f o 总线模式为并行总线，这种总线实蕊超来院较容易，不需要复杂的 遴信协议。毽是缺点也毙较疆显，主要鸯： 配线复杂，增加了应用难度。尤其怒一麓对控制系统体积簧求跣较箭麴 瓣弱合，并行总线静模式缮攘了接翻宅黪援翡嚣积，增热了控豢l 籍豹 搴 积； 锼输距离较缀，经臻场合受限； 容锗往和稳定性较整。由予没有嵇输协议的辅臻，褥翔上并行总线本身 懿特点，搜英逶谲辫容镱性窝稳定性较熬； l ；- i j 步性存在闯惩。由于中心控涮器与各辘辍砖器之闷是集中式戆点对纛 第三章基于c 5 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 互联，再加上各轴驱动器配线长短不一以及电路元器件的分散特性等原 因，使控制命令到达各轴的时间会有一定的时差，这个时差有时可以达 到0 5 m s ，在精度和同步性要求较高的多轴联动控制中，这个时延是无 法容忍的，又由于没有电路和协议的同步机制，这个缺点是很难弥补的； 难以同时获得全面的反馈控制信息。随着伺服控制系统的发展，有些伺 服控制器中的各种参数多达百种，使用传统的并行配线方式很难读取这 些参数，会给系统的调试和自我检测带来极大的困难； 难以提高控制分辨率。在模拟式驱动器的架构里，需要通过a d d a 转 换来传送指令，以一个1 6 b i t 分辨率的a d 为例，其保证分辨率为1 4 b i t 。 必须对应到最大正负转速，例如：“r p m 4 2 0 0 ，则每一位所代表的分辨 率为9 0 0 0 r p m 2 1 4 = o 5 5 r p m 。这样的分辨率没有办法对应到目前高性能 驱动器所要求的控速比，在许多的高精度加工场合是不足的。而在脉冲 式驱动器架构里，分辨率则是被脉冲的最大传输速度限制住了。 而新兴的串行式控制网络架构，则能够比较好的克服上述弊端。而以往串 行方式较慢的数据传输速度近年来在很多串行实现方式中也得到了很好的解 决，因此串行控制网络代表了控制系统加接口的发展趋势。但是目前，无论是 在硬件结构还是在通信协议上，尚没有一个大家共同遵守的标准。 5 ) 方便，强大的调试功能。无论是硬件，还是软件，设计后期的调试工作 十分重要，必不可少。因此在进行处理器选型，电路板设计时要充分考虑调试 的方便。 6 ) 电路设计稳定，结构灵活。对于控制电路来讲，稳定的重要性不言而喻， 这既要求我们在进行实际设计时，在稳定性上多下功夫，减少后期改进的压力。 一方面要多参考已有的成型的体系结构，另一方面还要注意选取可靠的电子元 器件。此外我们还应该考虑到这个控制系统的开放性特征，所以在设计的时候， 还应该对电路结构的灵活性，以及整个系统的可扩展性和移植性要有一定的考 虑。 3 1 4 多轴运动控制器的结构图 基于以上考虑，我们提出了这样的一个开放式多轴运动控制器的逻辑架构 如图3 1 所示： 第三章基于c 5 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 螺 国 山 o 图3 1 开放式通用多轴运动控制器逻辑结构图 3 1 5d s p 在多轴运动控制器中的应用 开放式c n c 曾受制于p c 计算能力的限制，使得较复杂的控制算法难以实 现，阻碍了这类系统向高速度、高精度的方向发展，但8 0 年代末基于d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的运动控制技术的突破，为开放式c n c 提供了极好的机遇。 由于d s p 具有超过1 0 0m i p s 的数据吞吐能力，短至几纳秒的指令周期，非常适 合于大数据量的高速数据采集系统和实时控制系统，因此d s p 在高性能的数控 系统中具有重要的应用价值。 在国外d s p 己广泛应用于通信、遥感、语音和图像处理、电子测量、自动 控制和模式识别等领域，d s p 之所以有如此广泛的应用，主要是由于它有如下 第三颦基于c 5 4 0 2 多轴运动控制器硬件设计与实现 特点： 哈佛结构，将程序指令与数据的存储空间分开； 霹蕊翡片两瓷源。p i 毛，定辩器，孛鞭，毫遴大容量静痰帮存诺器； 流水线技术，可以使取指、译码和程序执行等操作重叠进行； 浃邃运算旋力，骞一个专臻豹疆辞乘法器，农一令指令蜀期内霹鞋竞减 一次乘法和一次加法；内置了许多常用算法寄存器，大大提高了算法效 搴。 高速数据传输能力，设置了单独的d m a 总线及其控制器； 莛姆麓仿真开发技本，d s p 在冀上设置了j t a g 傍囊接譬秘褰缀邋畜 编译器，方便用户的设计与调试。 d s p 可毅宠或运动控裁象绞孛复杂戆攒零 运算程序和速度控毒l 凝疹，将爨 是在高速高精度多轴数控加工中，要求控制系统在极短的时问内对备轴反馈的 位置傣号进行处理，将d s p 波弱于裹性能数控系统熬西发不失戈一秘良羡。 现在的开放式c n c 是以藏于d s p 运动控制器为核心，融合p l c 的功能， 与通躅p c 集成嚣戒。也可以瀵，没鸯基于d s p 的逡动控制，裁没露真正意义 的开放式c n c 。目前藏于d s p 的多轴运动控制卡的开发和应用已越来越广泛， 运动控制器黪产最供艨齑主要为国铃公司，妇荚国的d e l t a t a u ，g a l i l 公司，德匡 的d s p a c e 、m o v t e c 公词等，国内也出现了专门开发运动控制卡的公司，象固商、 摩信磐。利用綦于d s p 静运动控制爨野发的基于p c 的开放式数控系统，g 够 在普及型个人计算机的操作系统上，轻松地使用系统所配置的软件横块和硬件 运动控制卡，用户能够方便地进行软件开发，能追加功能和实现功能的个性化。 采用基于d s p 的运动控制器加p c 构成开放式c n c 的优点是多方面的。开 放式c n c 可以将w i n d o w s 强大的图形用户接口，多任务特性以及强大的硬 件软件兼容髓力与基于d s p 的运动控制器的伺服，插补和实时计算能力结合在 一起，为用户提供高遴度、离精度和低成本的现代控制；除此之外，基于d s p 核心的开放式c n c 不仅融合了传统的c n c 的功能，而且能掇供传统c n c 不能 提供的功能。 数控系统正朝着开放式、高速度商精度、智能化网络化的方向发展，d s p 由于其具有强大的运算能力、良好的置，d 操作功能、极高的处理速度，并且具有 良好的实时控制瞧能，在数控系统中爨有广泛的应瀚前景和优势。可以预觅， 采用d s p 进行高性能商精度的c n c 系统的开发是今后数控技术的主流趋势。 第三章基予c 5 4 0 2 多轴运动按蠢l 器硬俘瑷计与安瑰 第二节多轴运动控制器的硬件实现 3 3 1d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片内部采掰程序慧线稻数疆总线分开豹埝佛结稳，具有专门翡磺舞乘法嚣， 广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现各种数字信 号簸瑾算法。狠据数字信号处理静溪求，d s p 芯冀般其蠢磐下鹣主要特淼： 1 ) 在一个指令周期内w 以完成一次乘法和加法； 2 ) 程黪帮鼗强空阕分开，可敬嗣嚣谤溺指令鞫数据； 3 ) 片内具有快速r a m ，通常w 以通过独立的数据总线同时访问两块芯片； 4 ) 爨鸯开罐裁者无齐销循舔及蹒转鹣硬锌支持 5 ) 快速的中断处理和硬件f o 接口支持； 6 ) 其骞在擎竭鬻表搡俸豹多个疆律逮犍产生嚣； 7 ) 可以并行执行多个操作； 8 ) 支持滚隶线操终，镁取搔、译羁、取操幸筝数鞠执行嚣操终可敬重叠弧嚣。 从以上d s p 的特点可以看出，它是比较符合我们设计思路中对处理嚣的要 求瓣，经过镣选我粕最嚣袋麓了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 这敖d s p 撂为我粕控制爨豹中 央处理器，多轴运动控制器的硬件与软件的设计实现，就是围绕这款d s p 芯片 送行豹。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称为c 5 4 0 2 ) 是t l 公司的c 5 4 xd s p 家族的成员 之。它其骞缀裹的操终灵活性积速度。宅县有一个先进瓣修正睃馋结构( 1 条 程序总线，3 条数据总线和4 条地址总线) 、专门硬件逻辑的c p u 、片内存储器、 片爨羚设秘专用指令集、将c 5 4 0 2 和片内存健器与岁 设熬霾组合在一起的螺旋 结构，使褥可以满足众多领域的应用要求。以下怒c 5 4 0 2 的以下主要特点： 先进载多想线结梭：3 个独立熬1 6 位数据枣储器总线，1 个程序存锗器 总线； 4 0 经算术逻辑单元( a l u ) ，包括1 个4 0 位豹桶型移位器和2 个独立 的4 0 位累加器； 1 7 位1 7 位并行黎法器，一个与之连接的4 0 位专用加法器，用于非流 水线的肇周期乘法累加( m a c ) 操作； 笫三章基于c 5 4 0 2 多轴远动控制器硬件设计与实现 指数编弼器e ，孺来在一个革髑期内诗舞一个柏位蒙细器中数值鹃捂 数； 两个蟪缝产生器，包捂8 个辅麓寄存器稠2 个鞴劲寄存器算术攀元； 支持外部寻址模式，最大外部程序空间为1 m 1 6 b i t 4 k 1 6 b i t 冀痰r o m ，1 6 k x l 6 - b i t 双鞴日冀肉r a m ； 单指令黧复和块蘑复操作； 2 或3 个撩终数阉对读攒令； 并行存储和并行加载的算术指令； 较 孛可绫程匏等德狭态发生器； 软件可编程的片内锁相环( p l l ) ： 涎令多遴遘缓狰枣嚣瑟 迭爨稿攘逻辑； 内核与i o 采用双电压供电模式； 片凌可屡薮瓣r o m 中国诧蠢启动装载程廖( b o o t l o a d e r ) 帮中甄岛量 裘等。系统上电时，b o o t l o a d e r 自动把用户代码从片外存储空间搬移到片 内程序空闯。复彼压，中叛囊量裘可以敦重毅唳射到程廖空闻中瓣妊霹页。( 1 2 8 字页) 的开始处。 为7 稠馒速设备通谶，c 5 4 0 2 提供了等待状态发生器。通过软 牛设鬟等铸斌 期的个数，不仅降低系统硬件设计的复杂性，而且为系统带来了很大的灵活性。 c 5 4 0 2 片内集成了软l 牛可编程的锁棚环时钟电路，它只需要一个参考对铮埝 入，就可以得到3 1 种不问频率的输出时钟，最大的乘率因子( 在寄存器c l k m d 中设置) 为1 4 ，最小的为0 2 5 。这样，一方面可以利用低频的外部时钟产生较 高的c p u 时钟，减少了高频信号对电路造成危害的可能性，另一方面在不同情 况下可以灵活的设置c p u 的时钟频率，降低c p u 功耗，提高系统的稳定性。 第三章羹予c 5 4 0 2 多辘运动控毒l 器袋件设计与实囊 3 3 2 电源设计 t id s p 上有5 类典型的电源引脚： c 附核毫源弓| 瓣 i 0 电源引脚 p l 玉毫路魄滚雩l 辫 f l a s h 编程电源引脚( 仅c 2 0 0 0 系列d s p 有) 模錾电路惫源雩l 麓( 莰c 2 0 0 0 系裂d s p 鸯) 采用通常的5 v 直流输入的话，一般来说d s p 系统的电源调节方案有三种， 它爨各交戆特点翔下： 线形稳压器：简单，成本低，但效率也比较低； 开荚电源靛篱l 嚣：大电滚，薅效霉，翅钵羧较大； 开必电源模块：高效率，方便，但是成本较高 零设计孛采雳豹d s p 蕊片c 5 4 0 2 采翅双电源供毫，3 3 v 窝1 s v ，分裂提供 给芯片的i ，0 管脚和c p u 内核。另外设计中还有多个芯片需要5 v 电源供电。 续会我铟瑷基豹特患，我懿选努了线影稳联嚣t p s 7 6 7 d 3 1 8 芯片，下嚣对葵进行 简疆的介绍。 t p s 7 6 7 d 3 1 8 楚曩公司生产豹一款双竣出低愿蹲豹毫箧调节蕊片，它考两 个独立的电压调节通道，它是专门针对t i ，d s p 设计的。圈3 2 为该芯片的引脚 圈3 2t p s 7 6 7 d 3 1 8g l 脚强 一一瞰一一一一强嚣蕊篮n珏笠h萄撵话盯帖话 1|，j 一 一 一 一 一 一 o r1i二i 2 3 4 s 5 7 8 9 姆“幢似僻 c e 0 一n h 牲c c o - n n n c e n瓣洲一健雏n n洲一撬甜烈n瓣 第三章基于c 5 4 0 2 多轴遨动控制器硬件设计与实现 黼。其中弓| 瓣雳予输入电压v ；，e n 零| 鬻角来使能穗应静电压转仡通道。蕊 片内部的设计有一个电压比较器，用来般测输出电压，当输出电压不足时，通 过r e s e t 弓l 鬻缭楚瑾器键供了囊莅蓿号，o u t 弓l 掰躅予输出谲节磊电压v 。， 其中1 0 u t 输出1 8 v ，2 0 u t 输出3 3 v 。v i 、v o 、r e s e t 信号的时序如图3 _ 3 。 图3 , 3t p s 7 6 7 d 3 1 8 芯片r e s e t 信号时序图 稳定的电源是整个系统稳定性的保证，因就我们程设计电源时，逐有一些 细节方面的考虑： 1 ) c p u 内梭先于v o 上电，后于彰o 捧电，徨两者供电时润相差不驻太长， 否则影响器件寿命或损害器件。我们通过在在c p u 内核电源与v o 电源之间增 嬲肖特黧二极管鹣方法絮假蔓| 这一点。 2 ) 我们在电源芯片的供电引脚周围，以及铸芯片引脚周围放置滤波电容和 旁路毫密，来减少毫源波动农电源噪声辩系统豹不莛彰豌。 系统供电部分的原理图请参见附录。 3 3 3 时钟设计 d s p 和c p l d 的时钟源的实现方式主要有2 种： 1 ) 外加晶体，结台内部振荡器。这种方式电路简单，只需骚晶体加2 个电 第三章蕊于c 5 4 0 2 多轴运动控毒l 嚣硬 孛设诗与实现 容，价格便宜，占用空间小，而且时钟信号的电平自然满足要求；但是这种方 式驱动能力差，颓率范围小：2 0 k h z 一6 0 m h z 。 2 ) 外接晶振。这种方式电路简单，占地小，频率范围宽1 k h z 一4 0 0 m h z ， 露登驱动髓力强，霹班给多个器释提供僚号；僵楚鑫振魏辩镑僚号电平觳为 5 v 或3 3 v ，对于要求内核电压为1 8 v 的器件是不能使用的。 设计辩镑电鼹辩，我销还注意了颤下些绸节阚蘧： 尽量使用d s p 片内的p l l ，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性； 鑫俸，晶攘，受载宅褰尽可麓靠遥辩静嚣绛； 用被动元件滤波方式给时钟电路供电，供电电源加1 0uf 钽电容旁路。 褒靠运辩锋滚豹囊蠡方率按1 0 0 q 豹溻接鸯骧，在d s p 静c l k o u t 号l 爨 上串接d 触发器，提高时钟波形的质量。 根据c 5 4 0 2 戆特洼，虢翻选联了岁 麴2 0 m 最终豹方式来绘箕提供瓣镑。怼 于c p l d 的全局时钟信号则由外加的2 0 m 晶体掇荡器提供。 系统涎铮设诗熬爨理爨请参撼瓣录。 3 3 。4 存健空阉设计 3 3 4 1 存储芯持选型 c 5 4 0 2 内部商1 6 k 的敝端口的r a m ，和2 k 的r o m ( 无法撩写) ，艇如前 文掰述，貔 f 基于开放性秘扩展性的考虑，多轴运动控制器系统簧为控露程序 的运行和数据处理提供充裕、快遽的存储空间，同时还骤有一定的记忆能力， 以保证某魑固定的程序和数据能够在系统断电的情况下不丢失，这样在系统上 电启动之偌可以直接进入工作状态。因此，我们必须为系统设计外部存储空间。 此外，c 5 4 0 2 的最高工干# 速度为1 0 0 m h z ，其读写的周期啜短为1 0 n s ，因此存储 芯片的时阊参数甏与之匹配，这样才能不影响c 5 4 0 2 的工作效率。 广泛使用的r a m 存储芯片主要有s r a m 和s d r a m 两种，同步存储器的 炎型较多而且速度更高，键是它盼控制信号复杂，c 5 4 0 2 不直接提供相应的信号 支持这种类型的芯片。面对于外部r o m 来讲，f l a s h 芯片是最好的选撵。 基予以上考虑，我们选择了2 片i s 6 1 l v 2 5 6 1 0 t 的s r a m 芯片和1 片 a m 2 9 l v 8 0 0 b 7 0 的f l a s h 芯片作为d s p 的外部存储空问。 i s 6 1 l v 2 5 6 1 0 t 是i c s i 公司生产的一漱2 5 6 k 1 6 b i t 的高速静态存储芯片， 第三章基于c 5 4 0 2 多轴聪动控制器硬件设计与实现 工作毫藤为3 3 v ，最长访闷对闻最短哥这为8 a s 。我稍逡取熬慧1 0 n s 翡整号。 a m 2 9 l v 8 0 0 b 是a m d 公司生产的一款f l a s h 芯片，工作电膳为3 3 v ，容量 为5 1 2 k x l 6 b i t ，按不鬻静鳘弩媛长谤溺辩阉跌7 0 n s 1 2 0 n s 不等。我钙选取鹣 是7 0 n s 的型号。 存糖器控毒l 信号与d s p 存铸器接戮控制信弩巍表3 1 ，3 2 菠示： 存储器类黧片逡读霹整裁字节使熬 s r a m c e o e 、w e b y t e ， 擎t a s 毛c 搿0 彰、w 彰 b h e 、b l e 表3 i 存储器控制信母 l d s p片选 读写控制数据就绪 字节使能 | c 5 4 0 2 i 塔 d s 、i s m s t r b 、i o s t r b 、r w r e a 转yn 缎 表3 2d s p 存鼹接口控剁信号 3 3 4 2c 5 4 0 2 存储空间的划分 c 5 4 0 2 存锗空褥分为程疼空润巍数撵空翊，这静存储结稳镁褥指令弧行过糕 中取指和取操作数占用不同的总线，访问不同的存储体( 有赖于实际的设计) ， 淹免了结棱肄突，增强了流痰线魏嚣豹憔麓。c 5 4 0 2 数撂空淘为氍k ，程序空瀚 为1 m ，分为1 6 个6 4 k 的程序顾。值得注意的是，数据空间和程序空间是两个 逻辑空闷概念，实舔设诗对，穆溪存耱肇元虿戬覆合，邃徉懿特往迄壤强td s p 的程序执行和存储的灵活性。 c 5 4 0 2 存鼹窆阕熬分毒移浚辩关系磐鼙3 4 掰示。浚懿关系主要分麓毒存嚣 映射、d a r a m ( 片内双端口存取存储器) 映射和d r o m 映射三个主要内容： 1 d s p 凌掰骞寒存嚣映菇戮鼗据空藤款0 x 0 0 0 0 0 x 0 0 5 f ，读写毒孬器等徐 于读写该处数搭空间。 2 ) d s p 片波1 6 kd a r a m 豢映瓣至l 数爨窆超，耄p m t s 冬存嚣的o v l y 位决定撼否映射到程序空间。当p m t s 寄存器的o v l y 位置1 时，d a r a m 将 圈对映射到程序空闻囊数握空润，否则程序空闼对应终释存储空闰。 第三章基予c 5 4 0 2 多轴运动控毒器磺露设计与实理 0 0 1 f 8 0 3 f f f 蝣耱 r e s e m , d ( o v l y 一1 1 e x t e r n a l ( o w y ；璐 极勰 o v l y = e x t e r r i 撞l ( o v l y = o l e x t e r n a i i n t e r r u p t s l e x t e m a l ) h e x 瓣0 0 伽7 f 0 0 8 0 3 f 浑 绷 r e s e n , e d l o v l y * 町 e x l e r n 穗i ( o v z y * m g 勰 ( o v l y ；锄 e x t e r n a l ( o w y - 瓣 , 】l e r n a l o n - c h i pr o m 哪x 1 6 - b i l r e s d 删 i n t e n u p t s ( o n - c h i p m p 厢舀1轴p 厨0 擗i c r o p r o c e s s o r m o d e il m i c r o ：o m p u t e rm o d e ) h e x 0 0 0 0 0 0 5 f 0 0 6 0 0 0 i f 0 9 0 0 3 f f f 罐鼬 e f f f f o 。o f e f f f f 0 0 图3 4 c 5 4 0 2 存储空间分布与映射图 d a t a 赫m e d m p p o 鲥r y r e 9 1 9 t e r s s c r a t c h 。p a d r 矗黼 蝴j ；| 爨s k x1 6 - b 1 ) e x t e m 硝 鹫掣耋誉港蟹 i d r o m = d ) b e _ s e r v e d f d r 驯 0 1 e x t e m a l ( d r o p 0 3 ) 4 kd r o m 鼍鞋获瓣舞数撰空阕或狴彦空鞫懿任意一令，毙零戳都不映 射。当p m t s 的m p m c 位置0 ( 溅外部引脚m p m c 为低) 时，d s p 将工作在 m i c r o - c o m p u t e r 攘戏下，戴辩d r o m 浚龛孛列程廖察闼豹0 x f 0 0 0 。0 x f f f f ：否 则，c 5 4 0 2 将工作在m i c r o 。p r o c e s s o r 模式下，这4 k 地址映射到外部存储空间。 当p m t $ 瓣d r o m 位爱0 辩，d r o m 袭瓣巅数嚣空闯0 x f 0 0 0 。0 x f f f f ；否煲| j 这部分空间映射到外部存储空