（机械电子工程专业论文）dsp在开放式数控系统中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文研究并实现了数字信号处理器在开放式数控系统中的应用，并通过试验验证了 系统的可行性。 开放式数控系统的硬件由上位机和下位机两部分共同组成。上位机使用基于 w i n d o w s 2 0 0 0 的p c 机，上位机实现用户接口，包括s t e p - n c 向g m 代码的转化、加 工代码的传送、机床各轴运动位置信息的动态图形化显示；下位机实现插补和位置控制 功能，下位机使用f 2 8 1 2 型d s p 芯片，它是t i 公司新近推出的3 2 位定点数字信号处 理器，主频高达1 5 0 m h z 。同时片上集成了丰富的外设，包括c p u 定时器、事件管理单 元，同时外扩了d a 接口。上位机与下位机之间通过高速u s b 2 0 接口进行通信。 系统软件包括三个部分，上位机模块、下位机模块、上下位机之间的通信协议模块。 其中上位机采用v c + + 6 0 开发工具，使用了多线程技术、w d m 驱动模型技术。上位机 作为用户接口主要实现了两个功能：一是接受用户的操作请求，将用户请求通过数据封 装传送至下位机，二是接受来自下位机的当前位置信息反馈，并将当前的位置状态通过 多线程技术实现图形化的显示，上位机实现良好的人机界面。下位机主要实现了插补和 位置控制功能，接受用户的命令可以实现参数的修改、执行用户的加工程序；同时实现 了一套上下位机之间通信的协议，确保数据传送的安全性。此外，论文将实时多任务操 作系统zc o s i i 移植到下位机，简化了系统的设计，提高了系统的可扩展性。 最后以西门子伺服驱动放大器和交流伺服电机作为系统的驱动元件，在改造的铣床 上进行试验。通过试验，完成了系统模型的验证工作，实验表明本文提出的硬件方案可 行、软件运行可靠，达到了课题的目的，为下一步的研究工作奠定了良好的基础。 关键词：开放式数控系统；数字信号处理器；1 c o s i j ：通信协议 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 r e s e a r c ho na p p l y i n gd s pt oo p e nc n c s y s t e m a b s t r a c t t h i sc o n t r i b u t i o nf o c u s e so na p p l y i n gd i g i t a ls i g a lp r o s s e s o r ( d s p ) t ot h eo p e nc n c s y s t e m a no p e nc n cs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h e nt e s t e da n dv e r i f i e d t h eh a r d w a r es y s t e mi sm a d eu po f h o s tc o m p u t e ra n ds l a v ec o m p u t e r t h eh o s tr e a l i z e sa u s e ri n t e r f a c e i n c l u d i n gc o n v e r t i n gt h es t e p - n cc o d et og mc o d e 、t r a n s f e r i n gm a c h i n i n g c o d ea n dd i s p l a y i n g b yu s i n gap cb a s e do nw i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m ；t h es l a v e r e a l i z e si n t e r p o l a t i o na n dp o s i t i o nc o n t r o l l i n gb yu s i n gf 2 8 1 2w h i c hi sa3 2 - b i tf i x e d p o i n t 15 0 m h z d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 、v i t ha b u n d a n tp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，i n c l u d i n gc p ut i m e r ， e v e n tm a n a g e m e n tu n i t d e s i g n e db yt ic o r p o r m i o n t h eh o s tc o m m u n i c a t e sw i t ht h es l a v e b yu s i n gu s b 2 0i n t e r f a c e t h es o , w a r em o d u l eo ft h i ss y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：h o s tc o m p u t e rs o f w c a r e 、s l a v e c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls o f t w a r e n eh o s tc o m p m e rs o f t w a r ei s d e v e l o p e db yv c + + 6 0d e v e l o p m e n tt o o lu s i n gm u l t i t h r e a dt e c h n o l o g i e s 、w i n d o w sd r i v e r m o d m e a sau s e ri n t e r f a c e t h eh o s tc o m p m e rr e a l i z e sf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h r o u g ht w om a i nf u n c t i o n s ：f i r s t ，r e c e i v i n gt h eu s e rr e q u e s ta n dt r a n s f e r r i n gi tt ot h es l a v e c o m p u t e r ；s e c o n d ，r e c e i v i n gt h ef e e d b a c kd a t af r o ms l a v ec o m p m e ra n dd i s p l a y i n gt h ec u r r e n t p o s f i o no fe a c ha x i s zc o s i i ，ar e a l t i m em u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e m ，i sp o r t e dt ot h es l a v e c o m p u t e r ，w h i c hs i m p l i f i e st h es y s t e md e s i g na n di m p r o v e st h es y s t e me x p a n s i b i l i t y t h e s l a v ec o m p u t e rr e a l i z e si n t e r p o l a t i o na n dp o s i t i o nc o n t r o l l i n gf u n c t i o n s ，r e c e i v e st h er e q u e s t f r o mh o s tc o m p u t e r a l s oac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sr e a l i z e dt oe u s u r et h es e c u r i t yo fd a t a t r a n s f e r r i n g ， a tl a s t ，b ya d o p t i n gs i e m e n sa cs e r v om o t o r sa n da m p l i f i e r s ，am i l l i n gm a c h i n ei s r e t r o f i t t e da n dt h e ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e d t h ef e a s i b i l i t yo f t h eo p e nc n c s y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e r k e y w o r d ：o p e nc n cs y s t e m ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；c o s - i i ；c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 獬铬墨 必丝i 益i _ 1 , q _ l l e ， 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 开放式数控系统的发展 数控机床是现代加工制造业的核心设备，而数控系统无疑又是数控机床的灵魂。因 此有专家预言：机械制造的竞争，其实质是数控系统的竞争【”。 数控系统是机械、电子、微电子、自动控制、计算机等技术交叉应用的产物。伴随 着这些相关技术的发展进步，数控技术的整体发展取得了巨大的进步。数控系统由当初 的电子管起步，经历了多个不同的发展阶段。自从1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森 斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控机床之后，数控系统的发展大致经过 如图l _ l 所示的几个发展阶段【“1 ： 分 小大 超开 立 规规小大放 式 a 模模型 规式 晶 集 氧 集a计 垒 模垒 的 体v成 秒 成 矽 算 秒 集 秒 数 管 电 电机成控 路路式电系 式 式式 路 统 图1 1 数控系统的发展历史 f i g i 1t h eh i s t o r yo fc n cs y s t e m 当前正处于开放式数控系统阶段。开放式数控系统的基本特征是以通用的计算机软、 硬件为基础。其体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统 一的应用程序接口，具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性，即系统 组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。与传统的数控系统相比，开放式数 控系统有很多优势，如表1 1 所示。 表i 1 传统数控系统与开放式数控系统的特点比较 t a b 1 1t r a d i t i o n a ln cs y s t e mc o m p a r e dw i t ho p e nc n c s y s t e m 兼容性维修功能升级技术含量 传统数控系统 差 困难困难落后计算机技术5 年左右 i 开放式c n c 系统与通用p c 兼容容易容易充分吸收计算机技术的发展成果 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 开放式系统能保证制造业向着高精度、高速度、高效率、快速的市场响应、易操作 性等方向发展，是当今数控系统发展的必然趋势。 开放式数控系统的实现目前主要有如下几种【7 j ( 1 ) p c 机内嵌入数控专用模板 这种数控系统是在p c 机内置数控专用模板。一般是以p c 机为硬件平台， d o s w i n d o w l i n u x 等通用操作系统为软件平台的开放式体系结构。p c 机作为图形显示 和常用逻辑处理的接口，数控专用模块实现插补和控制。这种方案实现了初步的开放性。 目前国内华中i 型使用的此种实现方案，积累了一定的经验。 ( 2 ) p c 机内嵌入运动控制器 这种数控系统一般将可编程的运动控制器做为p c 机的板卡，通过标准总线( 例女s p c i 总线) 插入p c 机。p c 机作为用户接口，实现命令控制、加工代码编辑、状态检测等功能， 而下位机实现插补和位置控制，下位机具有可编程、可配置。典型的如美国的d e l t a t a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m e rm u l t a x i sc o n t r o l l e r ) 就是一块集成在板卡上的可编程多轴 运动控制器，可以其插入到p c 机中使用。由于p g a c 提供的插补模块包括直线插补、圆弧 插补及样条插补等。还提供了位置、速度、间运动模式，用户可以对以上几种模式加以 选择和组合定制功能强大的数控系统，并且在相关领域取得广泛的应用。但是由于其算 法的封闭性，不可能作为一个验证复杂控制算法的平台。 ( 3 ) 全软件的实现 随着现代处理器技术的飞速发展、各种实时多任务操作系统的出现和普及，将传统 数控系统的硬件部分由软件来代替成为一种设想，但目前尚处于理论研究中。 这几种开放式数控系统实现方案的优点与缺点比较如下表所示。 由表1 2 可知，方案( 1 ) 的开放性比较有限，开发环境和支持的手段亦不多；方案( 3 ) 工作量大，尚处于研究阶段。可见现阶段，方案( 2 ) 是三者中最好的实现方式( 以d e l t a t a u 的p m a c 为例) 但是由于这种方案对控制卡的依赖性强、成本很高、特别是核心算 法封闭，从这个角度来说其软件的开放性有限。针对这种情况，本文以方案( 2 ) 为基础， 提出一种基于高速数字信号处理器( d s p ) 和实时多任务操作系统胛o s i i 的开放式数 控系统实现方案是非常有意义的。 大连理j ：大学硕士学位论文 表1 2 开放式数控系统几种实现方法的比较 t a b i 2t h ed i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o nf o ro p e nc n cs y s t e m 优点 缺点 p c 机内嵌入数 利用p c 机软、硬件资源、向开放性体系结有限的开放、有不少专用系统的痕迹、 控模板 构迈出了一大步。开发环境和支持手段也不足 p c 机嵌入匿明 控制与逻辑分离、模块化、核心算法仍然封闭、对控制卡的依赖性 控制器 可编程、可扩展强、成本较高 全软件实现可重复利用、模块化、可扩展工作量大、尚处于理论研究中 以上三种方案实现了开放式数控系统的硬件开放，而s t e p n c 标准的提出则提高 了数控系统的软件开放性能【8 j 。 1 1 2s t e p - n c 标准o l 的提出及其意义 数控系统中的数据格式，其传统的编程接口是i s 0 6 9 8 3 ( g - m 代码) 标准，该标准曾经 是数控领域的通用语言，为数控系统及制造业的发展起到了巨大的贡献。但是从新时期 的观点来i s 0 6 9 8 3 标准的主要有如下缺剧”】： 仅包含了c a d c a m 系统中的部分信息，还有其它信息在传递和交换中丢失。 只能完成简单插补，不能提供更为复杂的加工功能，例如样条曲线插补功能。 在不同数控机床和计算机辅助系统( c a ) ( ) 之间不能进行双向数据交换。 不具有兼容性。 根据机床各个坐标轴对刀具中心进行编程而不是根据被加工零件进行编程。 为了克服i s 0 6 9 8 3 标准的局限性，人们制定了i s 0 1 4 6 4 9 标准( s t e p n c 标准) 1 1 】。 s t e p n c 的基本原理是基于制造特征( m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s ) 进行编程，而不是直接 对刀具运动进行编程。s t e p - n g 是一种在c a d c a m 系统和c n c 机床之间进行数据转换的 模型，它使用工步( w o r k i n gs t e p s ) 这个面向对象的概念，通过详细描述加工过程而 不是机床运动来弥补i s 0 6 9 8 3 的不足。其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制， 能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业 领域产品信息的标准化。s t e p n c 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技 术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。 虽然i s 0 1 4 6 4 9 标准克服了i s 0 6 9 8 3 标准的局限，是s t e p 向c n c 领域的扩展，但是 由于该标准的制定非常困难，该标准目前仍处于研究阶段，尚未达到普及应用的程度， 尤其在国内对s t e p n c 的研究更是落后。尽管如此，基于其先进的设计理念，s t e p n c 最终取代传统的数控编程接口的趋势是无法阻挡的。 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 本课题考虑s t e p - n c 标准广阔的发展空间，并结合我国现阶段的c n c 系统发展现状， 提出了一种过渡模型的概念，即g - c o d ec o m p a t i b l e ，其含义可概括为：在c n c 系统中， 实现上层符台s t e p 标准的c a d c a m 模块与s t e p n c 接口的双向数据流动；下层通过增 加符合s t e p - n c 标准代码的转换接口，将s t e p - n c 代码转换成g 、m 代码，并在原有通用 g 代码的基础上进一步扩展，使得g 代码作为对用户的透明的中间语言，这样在确保课题 理论与应用价值的同时，使得课题的可行性增大，开发代价降至可以接受的水平。 1 2 课题的研究内容和意义 根据课题研究，特别是针对插补控制算法的和s t e p - n c 标准的研究，需要设计和实 现一套开放式数控系统的试验平台，这套系统应该有如下的特点： f 1 ) 是开放式的数控系统。能够充分利用现有的软硬件资源，实现一种开放式的数控 系统架构，具有良好的软、硬件开放性。 ( 2 ) 其体系结构实现分层设计，具有良好的模块化特性，具有良好的软件开放性，可 以实现不同控制算法之间的互换。 ( 3 ) 具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性。 ( 4 ) 有快速的处理能力，以便成为复杂插补控制算法以及s t e p - n c 标准的验证平台。 本文正是针对目前开放式数控系统的现状和课题研究的这种需要，设计并实现了这 样一种开放式数控系统：整个系统由上位机和下位机两个部分组成，上位机采用基于 w i n d o w s 2 0 0 0 的p c 机，上位机实现s t e p - n c 向g m 代码之间的转化、加工代码的传 送、机床各轴运动位置信息的动态图形化显示；下位机采用t i 公司新近推出的高速数 字信号处理器f 2 8 1 2 芯片，实现位置控制和插补，同时将当前的各轴的位置信息反馈至 上位机；上位机和下位机之间通过u s b 2 0 进行数据通信。系统总体框图如图1 2 所示： p m ，e 一 f e m 图1 2 系统数据流图 f i g 1 _ 2s y s t e md a t af l o w 大连理工大学硕士学位论文 系统在有竖线分割的左边上位机部分完全采用s t e p n c 标准，上位机通过u s b 协议 和下位机之间高速通信，传递数据。主要传送的内容是基于i s 0 6 9 8 3 标准的g 代码和m 代码，下位机解释g 代码，并且执行，通过伺服模块控制各轴的运动。 本系统采用基于s t e p n c 的c 代码兼容的思想，其主要理由是： 采用s t e p - n c 标准是一种对这个充满前景，并且将很有可能大幅推广应用的一个 标准的探索和研究，也是对国外在该领域所作的工作的一个理解吸收过程。 采用g 代码兼容也是根据国内外的现状，本着实用的原则，在确保课题理论与应 用价值的同时，使得课题的可行性增大，开发代价降至可以接受的水平。 1 21 课题研究内容 本人主要负责下位机的实现，以数字信号处理器作为开发平台，制定并实现一套完 整的上位机与下位机之间的通信协议、以p i d 作为控制算法实现常用的g m 代码功能， 完成课题的工作内容，同时考虑到下位机需要处理包括与上位机通信、位置控制、插补 等多个任务，本人将实时多任务操作系统c o s i i 移植到下位机中，使得系统具有良 好的柔性、易于设计，便于扩展，实现了软件的开放性。通过选用高速数字信号处理器 和实时多任务操作系统，使得本系统具备了开放式数控系统的特性，能够成为一个新的 控制算法和s t e p - n c 标准的试验平台。主要研究内容包括： ( 1 ) t i 公司新近推出的3 2 位定点数字信号处理器f 2 8 1 2 ( 主频1 5 0 m h z ) 的软硬件开发 和使用方法。包括系统的硬件构成和软件开发方法。 ( 2 ) 数控插补和位置控制研究与实现。研究插补的原理，以及插补程序的实现方法， 控制方法的研究与编程实现。 ( 3 ) z c o s i i 在f 2 8 1 2 芯片上的移植以及使用该操作系统进行系统软件的设计。 ( 4 ) 下位机系统程序的架构，数据结构和算法的设计。 ( 5 ) 西门子伺服驱动放大器的改装与实验。研究西门子伺服驱动放大装置的使用方法 并进行改造，最后进行试验。 1 2 2 课题意义 本系统采用的方案与d e l t at a u 公司的p m a c 系统 9 - 10 l 都是采用p c 机内嵌入运动控 制器的方法，相比较有如下特点： 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 表1 3p m a c 和本系统方案的比较 t a b i 3t h ec o m p r a r i s o nb e t w e e np m a ca n dt h es o l u t i o ni nt h ep a p e r 构成方式通信手段开放特性 使用领域 p m a c p m a c 直接嵌入共享r a m半开放，体现在可编程可 数控系统，p t 4 a c 提供编程 p c 配置，但其算法封闭 接口 本系统采分离，使用u s bu s b 2 0全开放、具有良好的模块 应用研究，是一个开放式 用的方案进行通信化、可扩展、可配置 数控系统的研究平台 结论 后者更简洁，前者速度更前者二进制半开放 前者是产品，商业适用 便了：拆卸快，后者简洁 后者源码级完全开放后者适合于研究 通过比较可以发现，本课题设计并实现的系统和p m a c 系统具有相似的结构，但是适 用不同的领域。后者作为一个成熟的商业产品，作为开放式数控系统的重要部件，具有 较好的开放特性，可编程、可配置实现了一定程度的开放特性，但是它并不适合本课题 的研究需要。本系统则是基于对数控系统特别是开放式数控系统研究的需要，其意义在 于作为一个试验平台，其在源码级实现了完全的开放，在此基础上通过一定的软件手段 能够保证系统具有良好的模块化特性、可扩展、可变换，这些特点使得该系统能够胜任 不断出现的新型插补控制算法、s t e p n c 的研究平台，为后续的研究工作奠定良好的基 础 本课题来源于国家自然科学基金资助项目基于特征结构配置的高速加工数控伺服 控制技术与方法( 5 0 2 7 5 0 2 2 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统的硬件构成 用数控系统加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编织成加工程序， 由输入部分输入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按照各坐标轴的分量送到各轴 的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电机，带动各轴转动，并进行反馈控制，使刀 具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊的进行 工作，从而加工出零件的全部轮廓2 1 。 本章针对数控加工过程中，对开放式数控系统之各个硬件部分在本系统的具体实现 进行介绍。 2 1 数控系统硬件的总体架构 本系统的硬件组成如图2 1 所示： 人机界面 上位机 u s b 2 0 0 8 0 m b p s ) 下位机( 运动控制器) 伺服电机( x ，y ) 图2 i 系统硬件构成 f i g 2 1s y s t e mh a r d w a r ec o m p o s i t i o n 其中： 上位机采用基于w i n d o w s 2 0 0 0 的p c 机，使用通用规范的软硬件资源，能够有力的整 和、兼容各种软件和硬件系统。本课题中通过对上位机的软件的编程，接受通过u s b 接 口的来自下位机数据，同时监控下位机的执行： 上、下位机之间通过u s b 2 0 协议进行通信，确保通信的高速高效，同时在本课题还 采用软件机制确保数据的稳定传输； 妨嘲 吣蝤 r _ l j 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 下位机采用基于t i 公司t m s 3 2 f 2 8 1 2 型d s p 的数控装置，利用d s p 快速、稳定、精 确、容易编程的特点，能够有力的确保系统的实时性、稳定性和高精度，同时下位机还 包括伺服装置、反馈装置，如图2 2 所示 广 l 图2 2 下位机的构成 f i g 2 2s l a v es y s t e mc o m p o s i t i o n 其中伺服驱动放大器采用西门子的s i m o d r i v e 6 1 1 ，伺服电机采用西门子的1 f k ? 型 交流伺服电机，反馈装置采用伺服电机自带的旋转变压器。本章将重点就t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片和西门子8 0 2 c 伺服系统结合本课题内容作一个概括性的描述。 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 型d s p 工作原理 2 2 1 选型方面的考虑 目前，由于单片机成本低、集成度高、使用方便，在自动化设备的运动控制中被广 泛应用，但是受到其性能的限制，不适用于高速、高精运动控制场合；p l c 工作可靠、 控制的i o 点数多，但控制2 个电机进行插补运动困难，控制多轴设备时，运动控制器 的成本高。 而本课题的目的是实现一个新的控制算法和s t b p - n c 标准的试验平台，要求系统具 有快速的处理能力以适应开放式数控系统中不断出现的新型控制算法的复杂性，因此选 用单片机和p l c 都是不适合的。所以我们选用d s p 作为下位机的处理单元，利用其强大 的计算能力及丰富的外设，实现一个开放式数控系统新算法、新标准的研究平台。 t i 公司新近推出的f 2 8 1 2 数字信号处理器，正是针对控制而优化设计的，其芯片内 部集成了多种接口，其中：a d 接口、事件管理器接口都可以用于反馈接口，本系统中正 是使用了芯片内部集成的事件管理器，通过对驱动单元返回的脉冲信号进行计数，获得 电机运转的角位移，做为系统位置环的反馈；外扩的d a 接口输出电压为i o v ，正好与 伺服驱动器的电压输入一致”，不必要进行电平的转换，从而简化了系统的设计；同时 大连理工大学硕士学位论文 系统提供了外扩功能，包括内存和外设，也为系统硬件部分的扩展留下余地，从而有效 地保证了系统平台的硬件开放性。 因此f 2 8 1 2 型数字信号处理器成为本系统下位枫平台处理器的首选。 数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、 变换、综合、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。数字信号 处理的实现是以数字信号处理理论和电子计算机计数为基础的【1 “。 相比传统的模拟信号系统，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力 强、设备尺寸小，速度陕、性能稳定和易于升级的优点。 从一般性的应用到特殊应用，t i 公司推出的t m s 3 2 0d s p 家族覆盖了非常广泛的应 用领域。用户必须充分理解各类数字信号处理器的特点和应用领域，才能选择合适的处 理起完成信号处理或者控制任务。根据不同的领域，t i 公司推出三大指令集架构，一般 称为“平台”( p l a t f o r m ) 。各个平台的指令核是互相兼容的，但各平台有自己的特点和 使用领域。 本系统采用的f 2 8 1 2d s p 的处理器组成如图2 3 所示【1 5 】 图2 3f 2 8 1 2 的结构图 f i g 2 3s t r u c t u r eo ff 2 8 1 2k e r n e l 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 从图2 3 中可以看出f 2 8 1 2 主要有中央处理单元、存储单元、外设以及驱动系统运 转的时钟组成，不同的部分通过系统总线和外扩接口进行连接。接下来的部分将会就这 几个方面作简单介绍。 2 2 2f 2 8 1 2 的核 f 2 8 1 2 型号的d s p 是t i 公司最新推出的3 2 位定点数字信号处理器，是基于t m s 3 2 0 2 0 0 0 数字信号处理器平台开发的。f 2 8 1 2 同时具有数字信号处理器( 表现为数字信号处 理的能力) 和微控制器( 表现为丰富的外设接口) 的特点。 针对f 2 8 1 2 处理器，可以采用c c + + 程序设计语言进行软件编写，开发效率非常高， 因此用户不仅可以应用高级语言编写系统程序进行数据信息处理，也能够使用高级语言 开发高效的算法，这样避免了在一个系统使用多个处理器的麻烦。f 2 8 1 2 内核包含了一 个3 2 x 3 2 位的乘法累加( m a c ) 单元，从而使得能够实现更高速的数学运算处理：f 2 8 1 2 内 核具有多通道快速的中断处理能力( 中断响应时间为9 个时钟周期) ，更小的中断延时从 而在硬件层保证了系统的实时性能和控制的精确性。 f 2 8 1 2 内核主要包括中央处理单元、测试单元和存储器及外设的接口单元三个部分， 如图2 4 所示。c p u 单元完成数据程序存储器之间的数据传输等操作。测试单元主要用 来监测、控制d s p 的各个部分及其运行状态，以方便调试。而接口信号单元完全是存储 器、外设、时钟、c p u 以及调试器单元之间的信号传输通道。 c p u 单元包括， ( 1 ) 算术逻辑单元( a l u ) ：3 2 位a l u 完成2 的补码的算术运算和布尔运算。通常情况 下，中央处理单元对于用户来说是透明的。例如完成一个算术运算，用户只须要写一个 命令和相应的操作数据，读取相应的结果寄存器的数据就可以了。 日萋 圈5 图2 4f 2 8 1 2 的核 f i g 2 4k e r n e lo ff 2 8 1 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 乘法器：乘法器完成3 2 x 3 2 位的2 的补码的乘法运算，产生6 4 位的乘法结果。乘 法器能够完成两个符号数、两个无符号数或一个符号数和一个无符号数的乘法运算。 移位器：完成数据的左移或者右移操作，最大可以移位1 6 位。在f 2 8 1 2 核中，总计有三 个移位寄存器。 ( 3 ) 寻址运算单元( a r a u ) ：主要完成数据存储器的寻址运算以及地址的产生。 独立的寄存器空间：c p u 内的寄存器包含独立的寄存器，并不映射到数据存储空间( 有些 处理器会将寄存器和存储器进行统一的编址) 。寄存器主要包括系统控制寄存器、算术 寄存器和数据指针。 2 2 3 存储器单元 f 2 8 1 2 数字信号处理器采用哈佛总线结构，能够并行访问程序和数据存储空间。内 部集成了大量的s r a m 、r o m 以及f l a s h 等存储器，并且采用统一寻址方式( 程序数据i o 统一编址) ，从而提高了存储空间的利用效率，方便程序的开发。 ( 1 ) 程序存储空间和数据空间 程序存储空间用来保存代码、表格信息或者常量。程序存储空间的访问通过 3 2 一b i t 的数据总线，2 2 一b i t 的地址总线以及一条控制总线访问，最多可寻址4 m 字( 每个 字1 6 位) 。 数据存储空间用来实现程序中全局变量的保存，堆栈的保存。数据存储空间的访 问也是通过3 2 一b i t 的地址总线( 注意和程序存储单元使用不同的地址总线) 、3 2 位的数 据总线和一条控制总线实现对数据存储区的访问，最多可以寻址4 g 字。 ( 2 ) f 2 8 1 2 的片上存储器 f 2 8 1 2 的c p u 并不包含任何存储器，但是可以通过多总线访问芯片内部或者外部扩 展的存储器。f 2 8 1 2 应用3 2 一b i t 数据总线和3 2 2 2 一b i t 地址总线控制整个存储器及外设。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上有1 8 k x l 6 一b i t 单周期单次访问随即存储器s a r a m ，分成5 个部分，分 另0 称为l o ，l 1 ，m o ，m 1 ，h o 。 f 2 8 1 2 内核的数字信号处理器都包含两个单周期的快速访问存储器，m o 和m 1 ，大 小分别为i k x l 6 一位，存储器中m 0 映射到o x 0 0 ，0 0 0 0 o x 0 0 ，0 3 f f 空间，m 1 映射到 o x 0 0 ，0 4 0 0 o x 0 0 ，0 7 f f 空间。在复位状态下，栈指针指向m 1 块的起始位置，栈指针向 地址增加的方向增长。h i 0 、m l 段都可以映射到程序区和数据区，所以m 0 、m l 存储区既 可以执行程序也可以保存数据变量。 f 2 8 1 2 还包含一块1 6 k x l 6 一b i t 的单周期访问的r a m 存储器，这部分存储器被分为 三块：l o ，l l ，h o 。 郑德兵：d s p 在开放式数控系统中的应用研究 l 0 、l l 块s a r a m 分别为4 k x l 6 一位一l o 、l l 块即可以做程序段也可以作为数据段使用， 并且l o 、l l 两块数据受片上f l a s h 的密码保护，以免用户的机密数据被非法拷贝。 h o 块s a r a m 大小为8 k x l 6 一位，既可以作程序区也可以做数据区，但是数据不受f l a s h 上的密码保护。 b o o tr o m 存储器是工厂掩模型存储器，并在出厂时固化了b o o t l o a d e r 软件， b o o t l o a d e r 软件根据引导模式( b o o tm o d e ) 信号确定上电时的引导装载方式。用户可以 从f l a s h 存储器引导，也可以选择从外部存储器引导程序。同时b o o tr o m 还包含了一 些标准的数学运算表，如正弦、余弦表，为用户完成数学算法提供了方便。b o o tr o m 的内容如图2 5 所示。 f 2 8 1 2 还提供了1 2 8 k 字的片上f l a s h 和2 k 字的一次可编程存储器( 0 t p ) ，片上存 储器可以映射到程序和数据存储空间。映射到o x 3 d ，8 0 0 0 o x 3 f ，7 f f f 。f l a s h 存储器被 分为4 个8 k x l 6 位单元和6 个1 6 k x l 6 位的单元，用户可以单独地擦除、编程和验证每 个单元，并且不会影响到其它的单元。f 2 8 1 2 采用专门的存储器流水线操作，保证f l a s h 存储器能过获得良好的性能。 2 2 4f 2 8 1 2 的片上外设及其扩展 作为一个高性能的，快速的d s p 处理器，f 2 8 1 2 不仅拥有性能优越的内核，而且具 有丰富的外设接口，例如串行通信接m $ 行外设接口、模数转换接口、时间管理器等 等。下面重点介绍与课题相关的外设接口，并介绍了扩展的数模转换模块d a c 7 7 2 4 芯片。 ( 1 ) 模数转换单元n 昏1 7 】 2 8 1 2 片上带有1 2 位a d c ，前端有两组8 选1 多路切换器和2 路同时采样保持器， 构成1 6 个模拟输入通道，模拟输入0 o v a 3 o v 。多种a d 转换的触发方式( s w 、e v 、 e x t e r n a lp i n ) ，这些特点使得模拟量的采集和分析变得方便。其中通过软件的方式a d c 转换的步骤如下： 初始化a d c 模块。 初始化a d 中断。 软件启动a d c 转换。 在a d c 中断中读取转换结果，并且软件启动下一次a d c 转换、清a d 中断标志、清中 断控制器的应答位( p i e c t r l p i e a c k b i t a c k i = i ) 。 ( 2 ) 事件管理单元【1 8 】 f 2 8 1 2 之所以被认为是为电机控制而优化设计的，事件管理器可以说是其中一个重 要的表征。事件管理器提供了强大的控制功能，特别适合运动控制等领域。f 2 8 1 2 数字 信号处理器有两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个事件管理器都包含了通用定时器( g p 大连理工大学硕士学位论文 t i m e r ) 、比较器、1 2 路p w m 发生装置、脉冲捕获单元和正交编码脉冲电路( q e p ) 。e v a 和e v b 两个模块都有相同的外部接口，可以实现多轴运动控制。本课题中使用正交编码 脉冲电路( q e p ) 作为脉冲计数装置，其工作原理如图2 5 所示： 图2 5 脉冲计数单元 f i g 2 5p u l s ec o u n tu n i t c a p i 衄e p l c a 啪印2 每个事件管理器有一个q e p 电路，这个电路有两个输入引脚c a p i _ q e p i 和 c a p 2 一q e p 2 ( 对于e v a ，对于e v b 则是c a p 4 _ q e p 3 和c a p 5 _ q e p 4 ) ，这两个引脚分别接受来 自伺服电机反馈装置的反馈脉冲a 相和b 相输入。根据输入进行解码和计数，因而q e p 电路的作为与电机位置和速度检测装置的光电编码器的接口，来对电机运转速度和转动 角位移进行统计 0 e p 电路中有关于方向检测装置的电路，q e p 方向检测电路检测到电机转动方向，并 且产生一个方向信号作为时钟的一个输入，当a 相超前b 相9 0 度时，计数方向向上加， 当b 相超前a 相9 0 度时，则计数方向向下减。根据这个工作原理，事件管理器中的q e p 电路可以获得电机当前的运转速度和每个插补周期转动过的角位移。 ( 3 ) 数模转换接口芯片一d a c 7 7 2