（电机与电器专业论文）基于vxworks实时操作系统与多路dsp伺服网络通讯系统研究.pdf

a b s r t a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe t h e m e tt e c h n o l o g y , i n d u s t r ye t h e m e tt e c h n o l o g yi s m o r ew i d e l ya p p l i e d t h ea p p l i c a t i o no fe t h e m e ti nt h es e r v os y s t e mb e c o m e sat r e n d t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nu s e di nas p e c i a ls e r v os y s t e mi sr e s e a r c h e di nt h i s a r t i c l e t h es p e c i a ls e r v os y s t e mi n c l u d e su p p e rc o m p u t e ra n dm u l t is e r v oc o n t r o l l e r s p cw i t hp e n t i u m 4i su s e da su p p e rc o m p u t e ro fs e r v os y s t e m ，a n dt m s 3 2 0 f 2 812i s c h o s e n 弱t h ec o r ec h i pi nt h em u l t is e r v oc o n t r o l l e r s v x w o r k s ak i n do fr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，i sr e p l a n t e di nt h ep c ，c o m p i l e d 诹t l ln e t w o r kd r i v e rt os u p p o r tt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，a n dc o m p l e t et h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e 诵mw i n d m li nt h e v x w o r k s d s pc o m b i n e dw i t hu s bb u sc o n t r o l l e ra n de t h e m e tc o n t r o l l e rc a l l s u p p o r tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa n du s b u p p e rc o m p u t e ro fs e r v os y s t e ma n d m u l t is e r v oc o n t r o l l e r sc o m p o s eo fas m a l ll o c a la r e an e t w o r k , c o m m u n i c a t ew i t ht h e s p e c i a lm u l t i c a s tp a c k a g e ，a n dc a ns o l v et h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m sb e t w e e nt h e s e r v oc o n t r o l l e r s u p d a t et h es o f t w a r ei nt h ed s pb yr e a d i n gb o o t l o a d e rd a t as t r e a m t h r o u g hu s b ，a n da tt h es a m et i m ed e s i g nt h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c ei nt h ev x w o r k s i nt h ee n d ，a n a l y z et h ea p p l i c a t i o ns o l u t i o no fap o w e rs y s t e m ，i n t r o d u c et h em e t h o d o fd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gt h ec i r c u i t ，a n dg i v et h ef i n a lc i r c u i tw a v e k e y w o r d ：v x w o r k si n d u s t r ye t h e m e tm u l t i c a s tw i n d m ld s p u s bs p w m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名醇五躏签字日期加艿年匆月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期： 年 月 日 第一章绪论 1 1 伺服系统中工业以太网应用背景 现代网络信息技术的飞速发展，以太网通信技术已经延伸至人们生活的每个 角落。以太网的信息传递快捷、交互性强、不受地域限制等特点，使得网络化控 制系统成为在自动化伺服控制系统领域的一个新的发展趋势。网络化、智能化、 开放式成为了伺服系统发展的必然趋势。上个世纪8 0 年代中期发展起来的现场 总线技术，解决了通信由专用网络的封闭系统来实现所带来的缺陷，把基于封闭、 专用的解决方案变成了基于开放式、标准化的解决方案，具有分布、开放、互联、 高可靠性的特点。由于各个国家各个公司的利益之争，虽然在1 9 8 4 年国际电工 技术委员会国际标准协会就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍 未完成。很多公司也推出自己的现场总线，其中号称开放的现场总线就有4 0 多 种，不同的现场总线之间不能实现互操作，也不能够提供基于现场控制层到管理 层的全面集成化的控制体系，并且现场总线较低的通信速率也不能够满足工业控 制越来越多的数据交换需要。这个时候，以太网技术飞速发展，给解决这个难题 提供了方向。f 】【2 】【4 】 以太网是由x e r o x 公司创建并由x e r o x 、i n t e l 和d e c 公司联合开发的基带局 域网规范。以太网使用c s m m c d ( 载波监听多路访问及冲突检测技术) 技术，并 以1 0 m s 的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与i e e e 8 0 2 3 系列标准相类 似。它不是一种具体的网络，是一种技术规范。以太网是当今现有局域网采用 的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理 方法。以太网在互联设备之间以1 0 - 1 0 0 m b p s 的速率传送信息包，双绞线电缆1 0 b a s et 以太网由于其低成本、高可靠性以及1 0 m b p s 的速率而成为应用最为广泛 的以太网技术。直扩的无线以太网可达l l m b p s ，许多制造供应商提供的产品都 能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。可以根据数据传输输率不同，分 为标准以太网、快速以太网、千兆以太网、万兆以太网。与计算机技术俱日并进， 基于t c p i p 的以太网技术得到了高速的发展，特别是它在i n t e m e t 中的广泛应 用，技术更加成熟。因此，不论从技术上还是产品价格上，以太网较之其它类型 网络技术都具有很大的优势。基于t c p i p 的以太网通信技术已成为了办公通信 的标准技术。这些都为以太网进入网络控制领域提供了基础。 ( 一) 工业以太网特点 基于以太网的通信技术在工业领域越来越引起了人们的关注。其经济性、灵 活性、高速性以及能传输大量数据的特点使得采用现场总线的控制网络向工业以 太网发展。工业以太网是办公领域以太网技术在控制网络中的延伸。以太网在伺 服控制系统中应用具有以下优点： ( 1 ) 基于t c p i p 的以太网技术是一种标准的开放式网络技术，不同的设备制 造商之间可以很容易实现互联。这种特性非常适合解决现场总线的兼容和互操作 性。 ( 2 ) 以太网能够方便、快捷地访问远程系统，共享访问多个数据库。 ( 3 ) 成本低廉。由于以太网的应用广泛。因此受到硬件开发与生产厂商的高度 重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也 相对低廉。 ( 4 ) 通信速率高。目前以太网的通信速率为l o m b s ，l o o m b s 的快速以太网也 开始广泛应用，最大的通信速率已经达到了l o g b s ，其速度比目前的现场总线快 得多。另外，以太网可以满足对宽带的更高要求。 ( 5 ) 软硬件资源丰富。由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等 方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著 降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系 统的开发和推广速度。 ( 6 ) 易于与i n t e m e t 连接。能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝 集成。因此，工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技 术的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展， 并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研发投入。 然而伺服系统网络不同于办公通信网络，由于以太网是以办公自动化为目标 设计的，没有考虑到工业控制现场的恶劣工作环境。时常要面临工业生产的强电 磁干扰、各种机械振动和严寒酷暑，因此工业以太网其信息传输的稳定性，工业 环境的适应性有较高的要求。工业以太网可以通过多种途径，例如改善传统的以 2 太网电缆、采用网关，还有采用p c b a s e d 方案和o n c h i p 设备等方法来解决 工业以太网对环境的适应问题，此外，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，对于重要的网段可采用冗余网络技术，以 提高网络的抗干扰能力和可靠性。 其次以太网介质访问方式采用c s m a c d 协议，作为商用网络的使用中，被 认为是实时性不高、非确定性的网络。c s m a c d 协议，即“带冲突检测的载波 监听多路访问”。其基本工作原理是：工作过程中，某个节点需要发送数据，首 先要监听网络。如果网络被其它的节点使用则会等待知道网络空闲才再次传输。 如果有2 个或者多个节点同时在空闲的网络上传输数据，就会发生冲突，于是所 有的冲突节点停止发送数据，运行二进制后退算法，等待一个随机的时间，再次 重复上述过程。这就造成了数据通信的不确定性，数据传输有可能经历不可预见 的延时，甚至长时间无法发送的情况。如果，以太网的整个传输体系没有有效的 方法及时发现某一节点故障而加以隔离，从而有可能使故障节点占用网络而导致 其它节点传输失败。这个对于实时性要求很高的工业控制是无法忍受的。伺服控 制系统要求数据的传输不仅速度快，而且要求响应快，即通信的实时性要好。控 制系统对于时间响应的要求比一般的信息传输要苛刻的多，因为这常常涉及到安 安全问题。试想伺服上位机系统发送的控制指令，伺服控制器没有及时接收到， 这种网络通信延时的不确定性，甚至通信的丢失会影响控制对象的性能，如上升 时间加大、超调量增大、振荡次数增多、稳定时间编长等，严重时会引起性能指 标急剧变坏，甚至造成安全事故。以上这些说明了工业以太网不能够简单地直接 将普通以太网应用于工业伺服控制中。 ( 二) 工业以太网实时性问题 为了满足工业过程控制要求，工业以太网必须具有很高的实时性。但是商用 网络的使用经验，以太网被普遍认为是实时性不高的、非确定性的网络，不适合 应用于实时性要求较高的工业伺服控制领域。这个和以太网本质上不确定，数据 传输的响应和时延不可预测有关。但是近些年来，随着以太网技术以及信息技术 的飞跃发展，工业以太网的实时性问题已经得到基本解决。现在的以太网速度最 高已经能够达到1 0 g b s ，这样传递同样的信号量，网络速度的提高可以减少通 信信号占用传输介质时间，大大降低碰撞几率，使网络负荷的降低。根据1 9 8 4 3 年和1 9 8 6 年h o f f m a n n 和k e r s t i n g 以及b u r d 所做的实验，以太网在较低的网络 负荷( 以太网的负载4 0 以下) 下，能够保持较好的实时性，可见以太网技术应用 于工业伺服控制领域具有一定的实际价值。 ( 1 ) 工业以太网交换机 交换式以太网技术的的发展与应用大大地改善了高负荷下以太网实时性问 题。传统的以太网采用了共享式集线器，由于共享式集线器的结构和功能相当于 一种物理层中继器，因此连接到集线器上的所有节点共享一个带宽。而交换式集 线器将网络分割成互不相连的几个网段，每个网段内部的数据交换只需要在内部 交换，这样就减少了整个网络数据碰撞的几率，同时在交换式以太网中，交换机 根据收到的数据帧中的m a c 地址决定数据帧应发向交换机的哪个端口。因为端 口间的帧传输彼此屏蔽，因此节点就不担心自己发送的帧在通过交换机时是否会 与其它节点发送的帧产生冲突，从而提高了交换式以太网的网络性能。在工业以 太网交换机中，还可以对发送的数据进行优先级分类，这个就可以根据数据报文 的优先级由高到低的顺序进行报文的发送，使影响伺服控制系统性能等高优先级 数据报文及时地发送出去。经研究表明，经过优化设计后的工业以太网时间响应 能够低于4 m s ，符合工业伺服控制的实时性要求。 ( 2 ) 全双工通信 全双工通信指节点能够同时完成数据的发送和接收的通信方式。采用全双工；设 备可在发送的同时接收数据帧，不需要等待，从而极大地提高了传输的实时性能； 而且，此时数据传输的延迟主要取决于交换机的软硬件性能，趋于定值。全双工 在理论上能够使得传输速率翻一番。 ( 3 ) 虚拟局域网 虚拟局域网的出现打破了传统网络的一些固有观念，网络结构可以变得更加灵 活、简单。虚拟局域网可以克服物理位置的限制，把一些特定设备组成一个广播 域，从而更加合理地使用网络带宽，增加了网络的安全性。对于局域网交换机， 每一个端口只能标记一个虚拟局域网，同一个虚拟局域网中的所有端口拥有一个 广播域，不同的虚拟局域网之间的广播信息则是完全隔离的，这样就避免了广播 风暴的产生。虚拟局域网在工业伺服控制领域的作用有： ( i ) 分割功能层。虚拟局域网能够有效地将管理网和控制网、不同功能单元在逻辑 4 上分开，使得上下层网络数据包传送时互不影响，保证了网络带宽。同时为了上 下层可直接进行通讯，可以在o s i 模型中的网络层使用“滤波器 ，实现上下层 之间的“无缝”连接。 ( i i ) 提高实时性。不同的设备部门处于同一个广播域时通过虚拟局域网划分功能 单元，各自的单元子网在不受到其他网段的影响下，每个单元都成为一个实时通 信域，保证了整个网络的实时性能。 ( i i i ) 简化网络管理。对于交换式以太网，如果对某些终端重新进行网段分配，需 要对网络系统的物理结构重新调整，增大了网络管理的工作。对于采用了虚拟局 域网技术的网络来说，只需要网络管理员进行虚拟网络网段的重新分配即可，节 省了投资、吞吐量和丢包率等等。 ( 三) 工业以太网协议【3 】 工业以太网是未来工业伺服控制现场总线技术的发展方向。工业以太网凭借 优秀的传输速率，良好的开放性和互联性，统一的标准成为工业控制领域极力推 广的技术工业。谈到工业以太网，就不得不讨论工业以太网协议。工业自动化网 络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成 控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据 和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因 而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作条 件。 对应于i s o o s i 七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数 据链路层，而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p i p 协议为主，t c p 和u d p 是传输层的协议，i p 协议是网络层的协议。t c p 是可靠的面相连接的传 输协议，u d p 是不可靠的面向无连接的传输协议。t c p 协议主要用于主机间建 立一个虚拟连接，已实现高可靠性的数据包交换。m 协议可以进行i p 数据包的 分割和组装，但是通过m 协议并不清楚地了解到数据包是否顺利地发送给目标 计算机。而使用t c p 协议就不同了，在该协议传输模式中在将数据包成功发送 给目标计算机后，t c p 会要求发送一个确认；如果在某个时限内没有受到确认， 那么t c p 将重新发送数据包。另外，在传输的过程中，如果接收到无序、丢失 以及被破坏的数据包，t c p 还可以恢复数据。可以看出来t c p 协议的可靠性， 5 但是真是这种可靠性带来另一个负面的问题，就是及时性。因为t c p 为了确保 数据传送的可靠性，采用的超时重发和发送接收端三次握手，牺牲了网络通信的 响应时间，极大影响了网络通信的实时性。而u d p 协议则恰恰相反，u d p 不需 要像t c p 那样三次握手连接，它追求的是快速的传输效率，而牺牲了可靠性。 两种协议应用在伺服系统工业以太网通讯中各有自己的优势。伺服系统中以太网 通信传输的数据量一般都比较小，相比之下花费在连接建立和撤销上的开销就会 非常多，这对于系统的实时性带来不利的影响。u d p 协议不需要像t c p 协议那 样先要建立发送方接收方连接，同时具有无流量控制、报文序列等控制措施，所 以具有较高的通信速率，而且占有网络节点资源也比较少。因此，t c p 主要用于 一些实时性不是很高的事件触发性质的数据传输：如开机命令、参数设置等。而 u d p 则适合发送实时性较高，具有一定的容错性的数据。例如伺服系统中控制 位置指令。每隔数秒钟发送一次新的数据，即使某个数据报文没有正确到达目的 地也关系不大，因为很快有新数据被上发。而且u d p 可以采用广播多播的形式 进行群发，能够大大提高系统的实时性，同时有可以减轻网络负载。【1 2 】 1 2 实时操作系统 实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能，输出时间对于系统正 确运行具有至关重要作用的的操作系统，目的是实现对外部事件的实时响应，对 实时操作系统性能评价主要有以下几个主要指标：1 中断延迟时间：从接收中断信号操作系统做出响应，并完成进入中断服务程 序的时间； 任务切换时间：多任务之间进行切换所花费的时间； 系统响应时间：系统在发出处理要求到系统给出应答信号的时间。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的正 确性，还取决于输出结果的时间，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重的后果。 实时系统根据时限对其性能的影响程度不同，分为软实时和硬实时，硬实时的时 间要求有一个确定的底线，超出底线的响应属于错误的结果，系统将会崩溃。而 对于软实时系统来说，当提交诸如中断、计时和调度的操作系统服务时，系统定 6 义一个时间范围内的延迟。在该范围内，越早响应性能越好，只要不超出范围， 晚点响应，也是可以忍受的。也就是说对于软实时系统，延迟响应会导致系统性 能的下降，而对于硬实时系统来说，就会造成无法预测的灾难性的结果。实时性 在某些领域非常重要，比如在工业控制、医疗器材、影响频合成、以及军事领域、 实时性都是无可或缺的特性。常用的实时操作系统有v x w o r k s 、r t l i n u x 等等， 而l i n u x 、多数u n i x 、以及多数w i n d o w s 家族成员都属于非实时操作系统。操作 系统整体的实时性通常依仗内核的实时性，但是像很多w i n d o w s 上建立的实时操 作系统都属于在非实时内核上建立的实时操作系统。 1 3 本文研究的背景和任务 本文的背景是一款特殊的伺服系统设计，为了实现伺服系统的网络化，智能化 控制，提出了以v x w o r k s 实时操作系统为上位机操作平台，在一个小型局域网 里控制3 路下位伺服控制器d s p 。其中基本的硬件的框架结构如图1 1 ： 输入设备 上位机 e t h e r n e t 卜r南i 卜r 图1 1 硬件的框架结构图 实际伺服系统中存在各种通讯报文，例如开机报文、正常工作检测报文、伺服 位置控制指令报文。为了能够实现整个伺服系统的实时性设计，就要能够很好地 设计各个报文发送任务的优先级，充分的利用网络带宽资源，发挥整个通信系统 的最大性能。整个课题包括以下内容： 1 硬件平台的搭建。伺服控制上位机采用的p c 机平台，下位伺服控制器采用 的是1 1 公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 。伺服控制上位机采用了风河公司的v x w o r k s 实 时操作系统，需要在p c 机上移植v x w o r k s ，并完成通讯组件的配置，网卡驱动 的开发配置，以及、) l l d n d n f l 多媒体库的配置。 7 2 v x w o r k s 上界面开发，通过v x w o r k s 自带的w i n d m l 多媒体库来开发出简单 的人机通讯界面完成多媒体库的编译，组件的配置，调试完成对键盘的响应， 完成一些简单的数据发送和显示任务。 3 v x w o r k s 上通讯程序开发，根据伺服系统实际通讯需要，设计出合适报文结 构，并开发出通讯程序。 4 d s p 配合r t l 8 0 1 9 a s 扩展出网络接1 3 ，完成d s p 上网络通讯程序的编写调 试。 5 对d s p 扩展u s b 接口，d s p 中生成的波形数据存入u 盘中，并在电脑中能 够复原波形，同时实现装载u 盘上的程序，通过b o o t l o a d 来实现系统软件的升 级。 8 第二章伺服系统硬件平台配置 2 1 伺服系统硬件平台总体概述 本课题是源自某款伺服系统设计的一部分，主要是为了完成伺服系统的通信、 人机界面开发。系统通讯主要是伺服控制上位机系统与下位多路伺服控制器之间 的网络通信，伺服控制上位机系统设计出简单的人机交换界面。其硬件框图如图 2 1 。 小型的局 域网 1卜、 r t l 8 0 1 9 a s 心 n 搭3 2 0 f 2 8 1 2 l j c 1 3 7 5 r 1 r 叫 r 叫 及u s b 接口 显示器 及键盘 p 4 系列处 l j 心，1卜、 r t l 8 0 1 9 s 心 1 1 6 3 2 0 f 2 8 1 2 l j c h 3 7 5 等外部 理器r 网卡r 叫 v 1 r 叫r 叫 及u s b 接口 输入输 出设备 lp 、 r t l 8 0 1 9 s l j n 6 3 2 饼屹8 1 2 l j c i l 3 7 5 r 1 r 叫 r v 及u s b 接口 图2 1 伺服通信系统硬件框架图 硬件设计分为p c 端的硬件设计与d s p 端硬件设计两个部分。伺服系统中伺服控 制上位机部分采用的是奔腾系列的处理器，用来实现人机界面的实现，控制指令 的发送，各伺服控制器工作状态的反馈等等。课题中采用的是奔腾4 系列的p c 机，具有网卡、显示器以及键盘等设备。下位多路伺服控制器采用了 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主要的控制器，为了完成网络通讯任务，需要外扩一块以太 网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，伺服上位机与下位三路伺服控制器组成局域网，构成 了伺服系统通讯结构整体结构。伺服控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 外扩了一片u s b 总线 9 控制器c h 3 7 5 ，以实现u 盘的读写功能，以实现系统能够对d s p 中数据进行存 储。 2 1 1d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司推出的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比 的3 2 位定点数字信号处理器，该款处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字 信号处理器。同时兼容了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 指令系统，器件集成了很多外设，例 如s p i 、s c i 、事件管理器，为运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。相 对于1 m s 3 2 0 f 2 4 x 系列数字信号处理器，f 2 8 1 2 系列数字信号处理器提高了运算 的精度( 3 2 位) 和系统的处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) ，同时还集成了1 8 k 1 6 位0 等 待周期片上s r a m 和1 2 8 k b 1 6 位片上f l a s h 存储器，4 k b 的引导r o m ，从而 大大改善了应用的灵活性。片上外设主要包括2 8 路1 2 位a d c 、2 路s c i 、1 路s p i 、l 路m c b s p 、1 路e c a n 等，并带有两个事件管理模块( e v a 、e v b ) 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列功能框图见图2 2 。【9 】【1 0 【3 0 】 图2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列d s p 功能框图 1 0 f 2 8 1 x 系列d s p 采用高性能的静态c m o s 技术，主频可以达到1 5 0 m h z ，同 时低功耗设计能够有效地减少产品耗能需求，降低散热要求。其高性能3 2 位c p u 能够完成1 6 1 6 和3 2 3 2 位的乘法累加操作，并具有1 6 x1 6 位的双乘法累加 器，哈佛总线结构，快速中断响应和处理能力，统一寻址模式，4 m b 的程序数 据寻址空间，高效的代码转化功能( 支持c c + + 和汇编) ，使得该款d s p 具有很 优秀的数据处理能力。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为哈佛结构的d s p ，即在同一个时钟周期内可同时进行一次取 指令、读数据和写数据的操作。在逻辑上有4 m x1 6 位程序空间和4 m x1 6 位数 据空间，但物理上已将程序空间和数据空间统一为一个4 m x1 6 位的存储空间， 内部总线包括：数据写、程序写、数据读、程序读，其优先级依次由高到低。 c 2 8 1 x 系列d s p 采用c c + + 编写软件，其效率非常高，用可以选择使用应用高 级语言编写系统程序，也能够采用c c + + 开发高效的数学算法。其优秀的处理数 据性能使得完成数学算法和系统控制等任务时避免使用多处理器的麻烦。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用的是c 2 8 1 x 内核，主要包括中央处理器、测试单元和存 储器寄外设的接口单元三个部分。中央处理器单元是核心，主要包括3 2 位的算 术逻辑单元，3 2 * 3 2 的乘法器，最大能够移位1 6 位的移位器，寻址运算单元和 独立的寄存器空间。使得d s p 能够高性能地完成存储器的访问地址的产生、译 码和执行指令、算数、逻辑和移位操作，控制c p u 寄存器以及存储器之间的数 据交换等操作。测试单元主要是为了满足d s p 软件开发过程中检测控制d s p 各 个部分及其运行情况，配合j t a g 口，方便开发者调试软件。存储器及外设的接 口单元主要是存储器、外设、时钟、c p u 以及调试单元之间的信号传输通道。 课题中需要对d s p 进行外扩存储器和外设，这里就主要介绍一下t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的外部扩展接口。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 外部接d ( x i n t f ) 采用了异步非复用模式总线，可以将外部存储 器或者设备映射到5 个独立的存储空间。图2 3 就是f 2 8 1 2 的外部扩展接口结构。 访问响应的这5 个存储器空间时，就会产生一个片选信号。如：空间0 和空间l 公用x z c s o a n f c s l 片选信号，空间6 和空间7 公用x z c s 6 a n d c s 7 片选信号。 还要注意的是空间2 和空间6 共享外部地址总线，当访问空间2 和空间6 的第一 个字时，地址总线上地址都是0 x 0 0 0 0 0 ，这样空间2 和空间6 在访问的时候唯一 区别在与片选信号，一个是x z c s 2 ，一个是x z c s 6 a n d c s 7 。 空间7 在映射时候，主要和寄存器x i n t c n f 2 中的m p m c 控制位有关，当 该引脚为低电平，则空间7 不能够映射到该存储空间，片上的r o m 将会映射到 0 x 3 f c 0 0 0 存储空间，当m p m c 控制位为高电平的时候，空间7 才会被映射。 d a i as p a c e p r o gs p a c e 。一； ；r 弋丽一 h = = = = = = 一 。 u t l 3 u j 夕 ： ： ：v v -一一一jl ： ： ：x a ( 1 8 ：0 ) 0 x 0 0 0 0 - 4 0 0 0 o x 0 0 0 啦与0 0 0 0 ) c o o l 硌棚o 蝴1 供) 0 图2 3f 2 8 1 2 外部接口框图 2 1 2 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s r t l s 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的一种高性价比、高度集成的以太网控制 器。符合e t h e m e ti i 与i e e e s 0 2 3 标准；全双工，收发可同时达到1 0 m b i f f s 的速 度，降低对主处理器的速度要求。支持8 1 6 位数据总线、8 个中断申请线以及 1 2 = 一 1 6 个i o 口基地址选择；支持u t p ，a u i ，b n c 自动检测，还支持对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动极性修改。同时与n e 2 0 0 0 软件兼容。r t l 9 0 1 9 a s 支持1 6 k ，3 2 k 和6 4 k 字节b r o m 和闪存接v i 。它仍然提供页面模式功能，这种功能支持在仅 1 6 k 字节内存系统空间下的4 m 字节的b r o m 。r t l 8 0 1 9 a s 可提供1 0 0 脚的 t q f p 封装，其引脚可分为电源及时钟引脚、网络介质接1 3 引脚、自举r o m 及 初始化e e p r o m 接口引脚、主处理器接v i 引脚、输出指示及工作方式配置引脚。 其引脚结构图如图2 4 。 2 6 1 图2 4r t l 8 0 1 9 a s 引脚结构图 r t l 8 0 1 9 a s 片内寄存器分为n e 2 0 0 0 寄存器组和对即插即用( p n p ) 寄存器组。 n e 2 0 0 0 寄存器组分为4 页，都映射到1 6 个i o 端口地址上。主机通过命令寄存 器( c r ) 中的p s 0 和p s l 被选择。每页包含1 6 个寄存器。其主要的寄存器介绍如 下： o c l d a 0 ，l ：当前局部d m a 寄存器r ( 0 1 h 和0 2 h ，t y p e = ri np a g e 0 ) 通过读这两个寄存器得到当前d m a 地址。 o p s t a r t ：页面开始寄存器( 0 1 h ，t y p e = 2i np a g e 0 ，t y p e = r i np a g e 2 ) 该寄存器用来设置接收缓冲器的开始页面地址。 o p s t o p ： b n r y t p s r ： r s a r o ， 页面停止寄存器( 0 2 h ；t y p e = wi np a g e 0 ，t y p e = r i np a g e 2 ) 该寄存器设置接收缓冲器停止页面寄存器地址。在8 位方式下p s t o p 寄存器不应该超过0 x 6 0 ，在6 位方式下p s t o p 寄存器应该不超过 0 x 8 0 。 边界寄存器( 0 3 h ；t y p e = r w i np a g e 0 ) 这个寄存器是用来放置接收缓冲器的重写。用来作为接收缓冲器最后 页面指针。 传送页面开始寄存器r ( 0 4 h ；t y p e = wi np a g e 0 ) 用来设置传送数据包开始页面地址。 l ：远程起始地址寄存器( 0 8 h & 0 9 h ；t y p e = wi np a g e 0 ) 这两个寄存器设置远程d m a 起始地址。 e r b c r 0 ，1 ： 远程字节数寄存- 器( 0 a h & 0 b h ；t y p e = w i np a g e 0 ) 设置远程d m a 数据字节数。 m a r 0 7 ： 多点地址寄存器( 0 8 h 一0 f h ；t y p e = r wi np a g e l ) e c u r r 当前页面寄存器( 0 7 h ；t y p e = r w i np a g e l ) 这个寄存器指出首先接收缓冲器页面地址，这个页面用来对数据 包的接待。 o p a r 0 - 5 ： 实际地址寄存器( 0 1 h - 0 6 h ；t y p e = r wi np a g e l ) 这些寄存器包括以太网节点地址且用来对目标地址数据包进行比 较来确定接收或者拒绝接收。 r t l 8 0 1 9 a s 内部有两块r a m ，一块r a m 3 2 字节，地址为0 x 0 0 0 0 0 x 0 0 1 f , 用 来存储网卡物理地址。另一块为1 6 k b 的r a m ，地址为0 x 4 0 0 0 0 x 7 f f f , 每2 5 6 字 节为一页，共“页。其中前1 2 页为发送缓冲区，后5 2 页为接收缓冲区。接收 和发送数据包是通过d m a 读写r t l s 0 1 9 a s 内部的1 6 k br a m 。它实际上是双 端口的r a m ，有两套总线连接到该r a m 。单片机或者d s p 对r t l 8 0 1 9 a s 内部 r a m 进行读写的总线，即远程d m a 。单片机或者d s p 收发数据只需要对远程 d m a 进行操作。而另一套总线是r t l 8 0 1 9 a s 读写该r a m ，与网络进行数据交 换，即本地d m a 。 本地d m a 大部分工作由r t l s 0 1 9 a s 自动完成，驱动程序只需要在初始化 1 4 r t l 8 0 1 9 a s 时设置缓冲环的大小。而远程d m a 操作则是由外部单片机或者是 d s p 完成，r t l 8 0 1 9 a s 有远程读、远程写和包发送三种工作模式，其中远程读 和远程写的工作方式类似，是由单片机或者d s p 先赋值给远程d m a 的起始地 址寄存器和字节计数器，然后在r t l 8 0 1 9 a s 的远程d m a 端口读写即可。包发 送操作用于数据发送和远程读写操作功能相似，但它操作简单，只需执行一个包 发送指令，就可在r t l 8 0 1 9 a s 的远程d m a 端口读取r a m 中接收的数据。当 执行这个指令时，r t l 8 0 1 9 a s 就自动设置了起始地址寄存器和字节计数器，边 界寄存器b n r y 指向下一个数据帧。 2 1 3u s b 总线接口芯片c h 3 7 5 c h 3 7 5 是一个u s b 总线的通用接口芯片，支持u s b - - h o s t 主机方式和u s b d e v i c e s l a v e 设备方式。c h 3 7 5 具有8 位数据总线和读写片选控制线以及 中断输出，可以方便地挂接到单片机或d s p 等控制器的系统总线上。c h 3 7 5 可 以在串行方式和并行方式下工作。全速u s b - - h o s t 主机接口，兼容u s bv 2 0 ， 外围元器件只需要晶体和电容。全速u s b 设备接口，完全兼容c h 3 7 2 芯片，支 持动态切换主机与设备方式。主机端点输入和输出缓冲区各6 4 字节，支持动态 切换主机与设备方式。能够通过u 盘文件级子程序库实现单片机读写u s b 存储 设备中的文件。并行接口包含8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选 输入、中断输出。串行接口主要包括串行输入、串行输出、中断输出，支持通讯 波特率动态调整。其主要引脚如图2 5 。【3 1 j 图2 5c h 3 7 5 接口引脚 1 5 c h 3 7 5 芯片可以工作于u s b h o s t 主机方式或者u s b 设备方式。c h 3 7 5 的 u s b 主机方式支持并行接口和串行接口。在u s b 主机方式下，c h 3 7 5 支持各种 常用的u s b 全速设备，外部单片机需要编写固件程序按照响应的u s b 协议与 u s b 设备通讯。但是对于u s b 存储设备，c h 3 7 5 内置了相关协议，只需要通过 c h 3 7 5 附带的命令编写简单的驱动，不需要编写固件程序，就可以直接通讯。 c h 3 7 5 芯片提供了并行接口和串行接口。并行接口信号线包括：读选通输入引脚、 写选通输入引脚、片选输入引脚、中断输出引脚以及地址输入引脚a 0 。通过被 动并行接口，c h 3 7 5 芯片可以方便地挂接到单片机和d s p 的系统总线上，并且 可以与多个外围器件共存。当w r # 为高电平并且c s # 和r d # 及a 0 都为低电平 时，c h 3 7 5 中的数据通过d 7 一d o 输出；当r d # 为高电平并且c s # 和w r # 及a 0 都为低电平时，d 7 d o 上的数据被写入c h 3 7 5 芯片中；当r d # 为高电平并且c s # 和w r # 都为低电平而a 0 为高电平时，d 7 d o 上的数据被作为命令码写入c h 3 7 5 芯片中，因为本课题采用的是并行接口，串行接口就不展开说明了。 2 2 下位多路伺服控制器硬件设计 2 2 1d s p 与以太网控制器接口电路设计 为了完成伺服网络通讯设计，伺服控制器d s p 需要外扩一片以太网控制器 r t l 8 0 1 9 a s 。其工作方式有3 种： ( 1 ) 跳线方式，网卡的i o 和中断由跳线决定； ( 2 ) 即插即用方式，由软件进行自动配置p l u ga n dp l a y ； ( 3 ) 免跳线方式，网卡的i o 和中断由外接的9 3 e 4 6 里的内容决定。 实际中，采用的是第一种跳线方式。网卡的工作方式主要由r t l 8 0 1 9 a s 的第6 5 脚j p 决定。第6 5 脚i p 是输入引脚，低电平时，8 0 1 9 工作在第2 种或第3 种方 式，这里注意r t l 8 0 1 9 a s 引脚内部接了一个1 0 0 k 的下拉电阻，当引脚悬空的 时候，输入状态为低电平。如果旧脚接高电平，这时候网卡的i o 和中断就由 引脚6 4 、6 5 、7 8 、7 9 、8 0 、8 1 、8 2 、8 4 、8 5 决定。硬件设计时将j p 接v c c 。 6 4 脚a u i ，该引脚决定使用a u i 还是b n c 接口。我们用的网卡的接口一般是 b n c 的，很少a u i 。b n c 接口方式支持8 线双绞线或者同轴电缆。高电平为 1 6 a u i 接口，低电平为b n c 接口，硬件设计时将该脚接地。 引脚8 5 ( i o s 3 ) 、8 4 ( i o s 2 ) 、8 2 ( i o s l ) 、8 1 ( i o s 0 ) 决定了r t l 8 0 1 9 a s 的i o 地址， 见表2 1 表2 1 网卡i o 地址配置表 i o s 3i o s 2i o s li o s 0 网卡i o 地址 0 o o03 0 0 h o00l3 2 0 h 00lo3 4 0 h 0oll3 6 0 h 100o 3 8 0 h l o013 a o h lol03 c o h l0ll3 e o h 01002 0 0 h olol2 2 0 h o1lo2 4 0 h o1l12 6 0 h l1oo2 8 0 h ll012 a o h l1l02 c o h l1ll2 e o h 硬件设计时将i o s 3 - i o s 0 接低电平，网卡的i o 地址为3 0 0 h 。 r t l 8 0 1 9 a s 中断线由引脚8 0 ( i r q s 2 ) 、7 9 ( i r q s l ) 、7 8 ( i r o s 0 ) 决定，见表2 2 。 表2 2 网卡中断引脚配置表 i r q s 2 i r q s li r q s o 中断引脚 o00i n t 0 00li n t l 010 i n t 2 oll i n t 3 1 7 l0oi n t 4 l0 li n t 5 l loi n t 6 1 11i n t 7 实际设计中将7 8 - 8 0 引脚全部拉低，采用中断i n t 0 。 r t l 8 0 1 9 a s 的2 0 根地址总线主要是为了读写自举r o m ，s a o s a 4 分别接到 d s p a 2 一a 6 地址线上，而s a 5 s a 7 、s a l 0 s a l 9 全部接地s a 8 s a 9 接高电平。 r t