（电路与系统专业论文）基于DSP的运动控制器的设计与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i q 摘要 在当河的数控技术发展中，丌放式数控技术是一个主要方向，在高端数控技术 c | l 高速高精度的运动控制器的开发占有举足轻重的地位。以数字信号处理器( d s p ) 为核心的运动控制器目前成为发展主流。这种运动控制器可以方便地嵌入p c 机中， 结合p c 机强大的信息处理能力和开放式特点，广泛应用于各种运动控制领域。本 文通过对运动控制技术的深入研究，设计了款以d s p 和c p l d 为主控单元、基j j ： u s b 2 0 总线的运动控制卡。 该控制器采用了高性能的3 2 位定点d s p 芯片- t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制 ：卷片，完成了整个运动控制系统的具体实现方案的设计。本文详细说明了该运动控 制系统的硬件结构，并对控制算法进行了分析与设计。完成了包括时钟电路、电源 电路、c p l d 电路、u s b 通信电路、d a 转换电路、差分整形i 乜路等硬件的设计。 看! 运动控制算法一l z ，主要研究了位置控制、捅补算法和速度控制等关键技术，着重 分析了一种在轮廓加1 ：中很有效的数据采样插补算法时f n j 分割法，并对这种算 法的圆弧捅补算法进行了改进，使得捅补精度得剑了提高。 在设计硬件电路和控制算法的丛础之上，本文对d s p 控制器进行了软件的设 计。软件设计包括主程序设计及各和一巾断服务程序设计，并f j l 对改进前后的圆弧捕 补算法的插补结果进行了比较分析，证实了改进方法的i 叮行性和有效性。 关键词：开放式数控；运动控制；d s p ；插补算法 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s a b s t r a c t o p e na r c h i t e c t u r en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ( o p e nc n c ) i sat r e n do ft h en u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g y h i g h s p e e da n dp r e c i s i o nc o n t r o l l e ri s p l a y i n gam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e i n h i g h e n dc n cs y s t e m s a tp r e s e n t ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) 一b a s e dm o t i o nc o n t r o l l e rh a sb e c o m et h em a i nt r e n do fm o t i o nc o n t r o l l e r t h e yc a n e a s i l yb ep l u g g e d i np ct oc o m b i n et h e i rm o t i o nc o n t r o la b i l i t i e sw i t ht h ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e so fp c ，w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so fp o w e r f u li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , s t r o n gm o t i o nc o n t r o la b il i t ya n dg o o do p e n n e s s a f t e ra ni n t e n s i v e s t u d yo fm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , am o t i o nc o n t r o l lb o a r db a s e do nd s pa n dc p l d w i t hu s b 2 0i n t e r f a c ei sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h ec o n t r o l l e ra p p l i e st m s 3 2 0 f 2 812w h i c hi sap o w e r f u l3 2 一b i tf i x e dp o i n td s p c h i pa si t sc o n t r o lc o r et oc o m p l e t et h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r eo ft h e m o t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m sa l ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h e c l o c kc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，c p l dc i r c u i t ，u s bc i r c u i t ，d ac o n v e r t e rc i r c u i t sa n d d i f f e r e n c ec i r c u i t f o rt h ec o n t r o la l g o r i t h m ，t h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha st h ep o s i t i o n c o n t r o l ，s p e e d c o n t r o la n dt h ei n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m i s e x p o u n d e d a nd i g i t a l i n c r e m e n t a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m - - t i m e - s h a r i n gi n t e r p o l a t i o nm e t h o di st h ef o c u so f r e s e a r c h t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to ft h i sa l g o r i t h m ，t h ep r e c i s i o no ft h ec o n t r o l l e ri s i m p r o v e d o nb a s eo ft h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m s ，t h es o f t w a r eo ft h ed s p c o n t r o l lb o a r di s c o m p l e t e d t h es o f t w a r ei n c l u d e st h em a i np r o g r a ma n dv a r i o u s s u b p r o g r a m e so fi n t e r r u p t k e y w o r d s ：o p e nc o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ；m o t i o nc o n t r o l ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 硕士学位论文 m a s t e r st i l e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：1 疋弘v 嗍：刁“月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的舰定，即：学校有权 保留并向幽家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存承l 汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：弘办v 三 日期研年占月y 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃童途塞握銮卮进卮! 旦主生；旦二生；旦三生筮塑： 作者签名：； 之、1 日期：1 年月1 日 导师 日期 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 - 1 开放式数控系统的概念 在现代制造技术中，数控技术是关键技术。数控技术采用数字化信息对机械 装置的运动轨迹和工作过程进行控制，集机械制造技术、计算机信息处理技术、自 动控制技术、精密检测技术、伺服驱动技术和网络通信技术等高新技术于一体，具 有高速、高精度、智能化、开放化等特点。随着微电二f 和计算机技术的迅速发展， 数控技术的发展也人大加快，传统的制造业正发生着巨大的变化。同时，由于市场 需求同新月异的变化，数控技术也i 面临蓿臣大的挑战1 2 1 。“数控系统是数字控制系统 的简称( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) ，早期是由硬件电路构成的，1 9 7 0 年代以后， 逐步由专用计算机代替，称为计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 。 自1 9 5 2 年美国麻省理工学院采用电子管元件试制成功第一台三举标数控铣床以来， 数控技术获得了很大的发展，历经了i 个阶段，包括最初的电子管时代，晶体管时 代，中小规模集成电路时代的硬件数控阶段，以及7 0 年代后基于小型计算机和目 前微处珲器结合的大规模和超大规模集成电路的软件数控阶段。在现代制造业中， 数控技术是制造自动化的基础和核心，一个幽家数控技术水平的高低和装备的拥有 量是衡量其工业现代化水平的重要标志p ，4 1 。 传统的数控系统硬件结构封闭，控制软件的灵活性和兼容性差，用户无法根据 自己的特殊需求对数控功能进行有针对性的修改和扩展。随着经济全球化的同益发 展，这种结构显然已经无法再适应现代制造业市场的巨大变化与竞争，也不能够满 足其向着开放化、智能化、网络化的制造模式发展的需要，并且市场卜对于具有良 好柔性并适合中小批量加工的低成本数控产品的需求大大增加，因此，开放式数控 系统成为现代制造业发展的必然趋势【5 j 。开放式数控系统的本质是可以在统一的运 行平台上进行数控系统的开发，以通用个人计算机的硬件和软件为基础，采用层次 化、模块化的体系结构，能以各种不同的形式对外界提供统一的应用程序接口的系 统，并可以将用户的特殊应用需求集成到控制系统中，以实现不同品种不同层次的 开放式数控系统【6 刀。美国电气及电子工程师学会( i e e e ) 把开放式数控系统定义 为“能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上，可以 与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用户交互界面”。开放式数控系统一 般来说具有以下五个方面的特征：互操作性、可移植性、可扩展性，可伸缩性和可 互换性【7 - 8 1 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 互操作性：开放式数控系统是模块化的，各个模块之间相互独立，采用 标准化应用程序接口。不同的功能模块能够采用标准的应用程序接口运行于统一的 系统平台上。 ( 2 ) 可移植性：系统的功能软件与硬件设备无关，不依赖特定的操作系统平台， 系统允许用户改变硬件配嚣，软件可以在控制级别上改变，各功能模块能够运行于 不同的硬件平台上。 ( 3 ) 可扩展性：系统具有连续升级的能力，以满足各个用户不同的需求。第三 方能在原来系统的基1 i i t l _ t _ 进行不同层次软硬件的二次丌发，形成专用系统。 ( 4 ) 可伸缩性：系统规模可以灵活设置，用户可以方便的修改控制系统的大小， 根据自身需要进行模块数量的增减和功能裁剪。 ( 5 ) 可互换性：构成系统的各硬件模块和功能软件不受单一供应商的控制，不 同厂商和开发人员可以根据性能要求采用不同的算法实现功能相似、接口柑同的功 能模块，模块的替换不影响系统的协调运行。 1 2 运动控制卡的体系结构和研究现状 当前开放式数控系统已经成为c n c 技术发腱的必然趋势，具有l ：放性的w 编 程运动控制器是开放式数控系统的灵魂核心。“运动控制起源于早期的伺服控制”。 简单地说，运动控制就是使机械运动装置按照预定的运动轨迹和运动参数运动，对 机械运动进行实时精确的位罱控制、速度控制，它接受上位机的应j f j 程序命令，按 照给定的模式实时完成运动规划，并向驱动器发出运动指令例。基予运动控制器的 开放式数控系统为不同的控制需求提供了良好的应用平台，在很大程度上运动控制 器的控制性能决定了整个数控系统的控制精度和响应速度，因此对运动控制器的研 究已经成为当前开放式数控系统研究的热点和重点。 基于p c 的运动控制器从结构上主要分为以下三大类： ( 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器 它是把具有开放式体系结构的运动控制器与计算机结合构成。这种运动控制器 多采用高速d s p 作为c p u ，通过i s a 接口或者p c i 接口等标准接口与p c 直接相连， 使得数控系统可以享用计算机的部分资源。这种运动控制器采用专用数控软件，用 户可以根据不同需求自行开发应用软件，组成各种专用控制系统。目前这种运动控 制器应用十分广泛，是市场上开放式数控系统的主流产品。 ( 2 ) 全软件型丌放式嵌入式结构的运动控制器 这种运用控制器的运动控制软件全部装在计算机中，也就是由计算机完成数控 2 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s 系统中所有的实时任务和非实时任务。硬件部分仅是计算机与外部i o 和伺服驱动 器之间的标准化通用接口。用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统下，利用7 i 二放 的运动控制内核，在计算机巾进行功能扩展，开发所需的控制功能，它提供给用户 最火的选择和灵活性。食软件型丌放式运动控制器的丌发制造成本相对较低，但1 1 j 于w i n d o w s 系统用于实时控制的局限性，这种运动控制器较难实现。 ( 3 ) 嵌入式结构的运动控制器 这种运动控制器把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立运行。控制器完成位 置控制、插补等实时控制任务。计算机完成一些非实时控制的任务。控制器能够享 用计算机丰富的软件资源。运动控制器依然采用计算机总线与计算机通信，实质上 这是基于标准总线结构的运动控制器的一种变种。嵌入式运动控制器也可配置硬盘 驱动器，还可以通过网络进行远程诊断【l 。嵌入式结构的运动控制器传送速度快、 系统响应快，其缺点是不能：直接使用通用计算机，开放程度受到限制。 运动控制卡是一种安装在计算机中，用于实时控制步进电机和伺服电机，从而 将主机从繁重的运动控制任务f 1 i 解放 “来的板卡，它通常采用j 拿业运动控制芯片或 d s p 作为运动控制核心。一个典型的运动控制系统吐i 微控制器、伺服驱动器和伺服 电机三部分组成i l ，运动控制卡与计算机一般构成主从式结构：讨算机负责人机交 互界面的管理和实时龄控等方面的工作( 例如系统状念的显示，键盘和鼠标的管理， 控制指令的发送等) ；运动控制卡负责完成运动控制的所有细节( 包括伺服电机的 速度、位置控制，插补运算，脉冲和方向信号输出，原点限位信号检测，时序逻辑 控制等1 1 2 j ) 。软件部分则着重加强了控制软件的控制策略，用以改善系统的的稳态 精度和动态特性，以使系统达到更高性能的要求。 目前，开放式运动控制系统得到了各个发达工业国家的高度重视。国外最具有 影响力的有美国的d e l t at a u 、g a l i l 、d m c 等公司，其中d e l t a t a u 公司刀= 发的p m a c 系列可编程多轴运动控制卡代表了国外运动控制卡的最高水平，它以m o t o r o l a 公司 的d s p 5 6 0 0 1 为微处理器，利用d s p 强大的运算能力实现了最多八轴的多轴实时伺 服控制。此系列运动控制卡被广泛应用于医疗器械等各种需要实时高精度位置控制 的领域。美国还专门成立了美国运动控制器工程师协会( m e ) ，不难看出运动控 制技术的重要性。日本将开放式运动控制系统视为第三次工业革命，代表性的厂商 有m a z a k 和n o v a 等。 与国外相比，我国对于开放式运动控制系统的研究起步较晚，从事这项技术研 究和开发的单位还为数不多，应用水平还不高。深圳固高科技有限公司是国内第一 家专业开发开放式运动控制器产品的公司，并且已经开发出一系列的运动控制器， 3 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s 其后又有几家公司进入该领域，但总体看来，目前国内还没有较完善的丌放式运动 控制系统，从数控系统的长远发展来看还有许多需要改进的地方。这些数控系统并 不是独立的开放式运动控制产品，其底层软件功能还不够完善，缺乏灵活性，用户 使用时不能够在原有的基础上根据客观应用要求重组或二次了l ：发，必须重复性的进 行大量硬件接u 程序和各种运动功能的的丌发等繁杂的： 作，而难以将工作重心集 中在真正需要的功能上。 目前国内的运动控制器产晶大致可以分为以下三类i l 川： ( 1 ) 以单片机或微处理器作为核心，结合存储器、编码器信号处理电路以及d a 转换电路等组成的运动控制器。这类运动控制器价格相对便宜，但由于微处理器一 般采用冯诺依曼总线结构，处理速度和处理能力都有限，可靠性和控制精度也 不高。并且单片机系统的灵活性差，只能实现一些较为简单的控制算法，不易更改 控制参数，软硬件的设计工作量也较大。同时，单片机的集成度较低，片上不具有 运动控制所需要的专用外设，需要外加各种电路实现所需功能，如p w m 产生电路 等。由二于其使用元器件多，外围电路复杂，体积人，导致了系统电路板复杂，降低 了系统的可靠性。因此，此类运动控制器j 适用一r 一些低速的点位运动控制场合和 对运动轨迹精度要求不高的轮廓运动控制场合，l l - | f 性能的限制，其在市场上的应 用并不广泛。 ( 2 ) 以专用运动控制：卷片( a s i c ) 作为核心的运动控制器。这类运动控制器由 专用运动控制芯片完成伺服控制算法、编码器信号处理等功能，具有响应速度快、 集成度高、可靠性高、实时性好等优点。但由于软件算法已经固化在芯片内部，系 统的灵活性差，不具备扩展能力，用户不能够对专用：卷片进行编程，因此，很难实 现系统的升级。这类控制器大多数工作于开环控制方式，只能输出脉冲信号，能基 本满足单轴的点位控制场合的要求，但是对于要求多轴联动和高速插补控制的场合 则不能完全胜任。系统开发的灵活性较小，丌发人员无法引入复杂的控制算法，而 且专用运动控制芯片价格昂贵，故此方案成本很高。 ( 3 ) 以数字信号处理器( d s p ) 作为核心的运动控制器。d s p 中设置有硬件乘 法器和m a c ( 乘法并累加) ，使其在进行乘和累加运算时速度更快。d s p 采用多 总线哈佛结构，极大地提高了运算速度，同时d s p 具有非常灵活的指令系统，与传 统运动控制中的单片机相比，d s p 在实现运算复杂、实时性要求高的数字信号处理 任务时，具有更多的优势。d s p 芯片还集成了电机控制所必须的a d 转换、事件捕 捉等外设能力，正是充分利用了d s p 的种种外设资源，此类运动控制器能够完成复 杂的运动轨迹规划、实时插补、伺服控制、滤波等功能，能够独立实现闭环控制， 4 硕士学位论文 m a s t e r + st h e s i s 而无需占用p c 机的资源，因此上位机可以专注于预处理、人机界面、输入输出、 故障诊断等功能。这类运动控制器具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控 制准确、集成度高等特点，是目前困内运动控制器产品的主流，并且将在很长一段 时期内占据运动控制器市场的重要地位。 1 3 本文研究内容 随着d s p 和复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 技术的发展，采用d s p + c p l d 结构的数宁系统逐渐显示出其优越性：一方酊可以 发挥d s p 运算速度快、寻址方式灵活、外设资源丰富的优点，另一方面c p l d 器件 编程灵活、集成度高、设计了l ：发周期短、适用范围宽、设计制造成本低，可实现较 大规模的电路设计。利用c p l d 器件以硬件方式实现各种逻辑，有利于系统集成化 和稳定性，并具有结构灵活、易于维护和便于扩展等特点。因此，本文的目标是设 计开发一款以d s p 和c p l d 为核心的运动控制卡，能够实现三轴联动直线插补和两 轴联动圆弧插补，并采用u s b 总线实现p c 机与d s p 的数据传输，以提高数据传 输速率，保证数控系统的实时性。 奉论文的内容安排如下： 第一章主要介绍了了隗：| 式数控系统的概念，国内外丌放式运动控制器的研究现 状以及本论文的研究内容。 第二章对运动控制卡进行功能分析，确定本运动控制卡的总体设计方案。包括 d s p 硬件电路设计、c p l d 硬件电路设计、主机通信模块( u s b 总线接口) 的电路 设计、数模转换电路设计、输入输 j 扩展接口和差分整形模块的电路设计。 第三章对运动控制中的关键技术进行了研究，包括位簧控制算法，插补算法和 速度控制算法。着重分析了在轮廓加工中用到的数据采样插补算法时间分割插 补法，并对这种算法进行改进，使得插补精度得到了提高。 第四章是运动控制卡的软件设计。详细介绍了d s p 中的主程序设计，中断服务 程序设计，以及时间插补法的编程实现和性能比较。 第五章总结了本文所做的工作，并提出后续研究工作的展望。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 1 系统总体规划 第二章运动控制卡总体设计 通过对目前市场上运动控制卡的发展现状和需求的分析，本文所设计的运动控 制卡定位为一款以美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司生产的3 2 位定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 以下简称f 2 8 1 2 ) 为核心的具有高性价比的运动控制卡。 本运动控制卡的硬件结构如图2 1 所示，主要由以下几个模块组成：d s p 主控 模块，c p l d 驱动与扩展模块，u s b 串行通信接口模块，外围存储模块( r a m ) ， d a 转换模块和差分整形模块，虚线框内为运动控制卡部分。上位机将运动控制指 令和参数通过u s b 总线接f j 传递给运动控制卡的主控芯片d s p ，d s p 读入数据之 后进行位置控制，插补运算和速度控制等，之后经由d a 转换，数字信号转化为能 够控制电机转动的模拟信号传送给电机驱动。c p l d 主要用于处理外围事物，包括 系统电路的地址译码，协调各个功能模块的工作，增加系统的灵活性和可扩展性等。 差分整形模块使用差分接收心f l - ，1 l 把反馈的差分信号转换成单端信弓，供d s p 内的编 码器信号处理电路进行处理。 上 位 机 2 2d s p 模块 2 2 1i ) s p 芯片的选型和特点 图2 1 运动控制卡的硬件结构图 电 机 驱 动 伺 服 电 机 选择d s p 芯片是运动控制卡设计中一个至关重要的环节，只有选择了合适的 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s d s p 芯片才能够进一步进行其他外围电路的设计。根据系统的具体应用需求，选择 d s p 芯片时一般重点考虑以下因素：芯片的运算速度、运算精度、性价比、存储器 容量、片内的资源、功耗等。 f 2 8 1 2 足t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列中的一种，它是首批3 2 位控制专用、高达1 5 0 m h z 主频的数字信号处理器f l 钔，它既具有高速运算能力和信号处理能力，又集成了非常 丰富的片内外设，为高性能的数字控制系统提供了一个理想的解决方案。 f 2 8 1 2d s p 的主要性能指标【1 5 。1 7 l 如下： ( 1 ) 高性能静态c m o s 技术，主频最高町达1 5 0 m h z ，低功耗，内核电压1 8 v ， 口电压3 3 v ，f l a s h 编程电压3 3 v 。 ( 2 ) 采用哈佛结构，统一寻址模式，采用流水线技术，取指、译码和执行指令 可以同时进行。有专用的硬件乘法器，可以在单周期内完成乘法操作。 ( 3 ) 采用特殊的d s p 指令，具有高效的代码，支持c c + + 和汇编语言。 “) 存储器：1 2 8 k x l 6 b i tf l a s h ，1 2 8 k x l 6 b i tr o m ，1 8 k x l 6 b i t 数据耀序存 储器；提供外部存储器扩展接口，可达l m x l 6 b i t 的存储器寻址空间。 ( 5 ) 片内外设： 两个事件管理器模块( e v a 和e v b ) ，专为运动控制和电机控制而设计。 每个事件管理器模块分别包括通用定时器，p w m 单元，捕获单元，j f 交编码 乜路 ( q e p ) 和中断逻辑电路等。 中断：3 个外部中断( 电源驱动保护，复位，n m i ) ，外围中断扩展( p l e ) 模块可支持9 6 个外设级| l l 断，目前用到4 5 个外围中断。 模数转换模块：1 6 通道的1 2 位a d 接口，最小转换时间8 0 n s ，可灵活设 置采样方式。 通信接口：支持高速同步串行通信接口( s p i ) ，u a r t 接口模块的串行通信 接口( s c i ) ，多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 和e c a n 总线接口模块。 ( 6 ) 看门狗定时器模块，支持动态改变锁相环模块p l l 的参数值。 ( 7 ) 通用输入输出多路复用器( g p i o ) ，拥有多达5 6 个独立可编程的i o 口。 2 2 2d s p 的时钟电路和复位电路 f 2 8 1 2d s p 上很多部件都需要时钟，如c p u 、看门狗电路、a d c 、事件管理器 等外设。f 2 8 1 2 上集成了p l l ( 锁相环) 电路，可以为d s p 芯片和外设提供所需的 时钟信号，p l l 倍频系数由p l l 控制寄存器p l l c r 低4 位控制，f 2 8 1 2 的c p u 最 7 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 高可工作在1 5 0 m h z 主频下。本系统采用2 0 m h z 外部晶体作为外部时钟信号源， p l l c r = 0 x a ，时钟经p l l 倍频成1 0 0 m h z 供d s p 使用，因而f 2 8 1 2 的速度可达 到1 0 n s 。同时，2 0 m h z 晶体也是c p l d 器件的外部时钟信号源，图2 2 为f 2 8 1 2d s p 的时钊tf 乜路。 幽2 2f 2 8 1 2d s p 的时钟电路 2 2 3d s p 的电源电路 f 2 8 1 2 芯片的c p u 内核电压为1 8 v ，i o 口电压为3 3 v ，而许多外围电路还需 要5 v 电压，所以在该系统中经常出现电压混接的情况。并且f 2 8 1 2 要求上电时i 0 口先上电，内核后上电，掉电时i o 口先掉电，内核后掉电，所以在上电和掉电过 程中需要有电源的时序配合。电源电路如图2 3 所示，电源可以由外部电源提供， 5 vp o w e r 为电源插孔，电压为直流5 v ，提供电流l a 以上。电源也可以由u s b 接 口引入，通过跳线s p l 选择。s p 2 为电源开关。a m s i1 1 7 3 3 电压转换芯片是5 v 转3 3 v 的高性能稳压芯片，u p l 提供主电源3 3 v ，u p 2 提供a 3 3 v 电压给a d 转 换等模块使用。a m s l l1 7 1 8 电压转换芯片是3 3 v 转1 s v 的稳压芯片，u p 3 提供 1 8 v 给d s p 内核使用。因为u p 3 的基准电压3 3 v 是由u p i 提供的，所以时序满 足要求。 8 硕士学位论丈 m a s t e r st i t e s l s l 一o ；乏c l 止面吕i 10 0 u i f0 1 随f l ja smd韤襽蓘2 f282dsp电源电路 24 dsp存储器扩展电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片内部包括1 2 8 k b 的f l a s h 和1 8 k b 的s a r a m 。但在实 使用中，考虑到d s p 在工作过程中需要处理大量的数据，仪依靠d s p ：卷片内部 存储空问远远不够，因此本系统外扩了一片5 1 2 k x l 6 b is r a m i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 是一种高速异步静态5 1 2 k b 的s r a m ，其读写周期为1 0 n s ，与d s 之间可以无需插入等待周期便可以进行读写操作f i 引。它通过c p l d 完成与d s p 问的数据交换。另外，d s p 还需要通过u s b 完成与p c 机的实时通信，由于地址 码模块在c p l d 中实现，所以其数据和地址总线要分别连接u s b 和c p l d 两块 片。i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 可以直接映射到d s p 外部存储接口的z o n e 2 或者z o n e 6 区域 在本系统中s r a m 直接与f 2 8 1 2 的x i n t f 接口相连，片选信号为x z c s 2 ，基地 为o x 00 0 0 0 。由于d s p 采用统一寻址方式，i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 既可作为数据存储器 也可作为程序存储器。f 2 8 1 2 与s r a m 的连接示意图如图2 4 所示 硕士学位论文 m 人s t e r st l i e s l s l i 4 0 二l l i b b 撑# 薰r a m 巫c s # # 6 c w 础e # 业坠盟一占美 瀑g n d 封洲d 划 图2 4f 2 8 1 2d s p 的存储器扩展电路 2 3c p l d 驱动与扩展模块 c p l d 是一种用户可以根据具体应用需要而自行构造逻辑功能的数字集成电 路，由可编程与或门阵列以及宏单元构成。与，或门阵列可以重新编程，实现多种 逻辑功能。宏瞥元可以实现组合或时序逻辑，可由用户根据特定的功能需要生成特 定的电路结构【9 2 0 1 。c p l d 具有编程灵活、集成度高、适用范圈宽、系统断电后编 程信息不丢失、使用简单、设计开发周期短、保密性好、费用低等众多优点，可实 现较大规模的电路设计，在工业领域的产品生产中得到了很广泛的应用。c p l d 的 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) 将代码下载到目标芯片中，从而设计 出理想的数字系统【2 0 l 。 本系统中选用的是a l t e m 公司m a x 3 0 0 0 a 系列的c p l d 芯片e p m 3 1 2 8 。由 于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 是控制核心，负载较多，g p i o 引脚的输出驱动能力有限，所 以本系统将所有的输出信号都经过c p l d 驱动后输出，通过对c p l d 的编程设计， 1 0 踯一叫一m一啦一瞰一一嘶所一跳一阴一啪一一眦一吣一附一附789一mbh一一m一”一如一”一姐一一强一”一强 啪跳睨阱阱脯町眺阱淞川m淞淞 i i i【1 0 2 3 4 5 6 7 8 o l 2 3 4 5 6 7 3 9 l l l l 1 l l l l 触m舵肥斛胚m们舳舶m m 削烈m m 斛m 一2345一憾一旧一加一一勉一”一m一弱一拍一一铊一钙一一勰邶一川一地一躬一m一筋一怕们能一肿一川一川一m一邶川一小舶一一郴 提高了信号的驱动能力。此外c p l d 还用于协调各个功能模块的工作，实现整个系 统的地址译码，逻辑控制等功能，增加系统设计的灵活性和可扩展性1 2 1 j 。 e p m 3 1 2 8 a t c l 4 4 是一款基于e e p r o m ，以先进的c m o s 工艺制造的高功能低功耗 可编程逻辑器件，支持在系统可编程( i s p ) 、支持3 3 v 电压、可提供6 0 0 1 0 0 0 0 个 可用门电路、引脚延时为4 5 n s 、计数速度高达2 2 7 3 m h z 2 2 1 ，满足系统设计需求。 c p l d 为1 6 路输入通道和1 6 路输 l 通道提供了接口。图2 5 所示为c p l d 模块的 电路，c p l d l n 0 1 5 y g f 展的1 6 路输入通道，c p l d o u t 0 1 5 】为扩展的1 6 路 输出通道。 d o d l u 2 i ) 3 阱 l ) 5 | 】6 d 7 i 碡 【) 9 d 1 01 8 d 1 2 2 2 d f 32 3 d 1 42 5 d 1 52 7 a 1 32 8 a 1 42 9 艘s o a 咽甜 t s 8c s3 l f c l k 3 2 l d a c o i 。婚4 d i a cr s t a 4 5 d a ( r s i b5 ， d a cr s l 15 4 d a cr s l 25 5 d cr s 盯5 6 d cr s t 46 0 c p ) l n o6 l c p l d i n l 6 2 c 隧垡丝丝 ( ：p l d 仆b6 ， c p l d i n 46 7 c p i d l n 56 8 cp i d l n 66 9 c f e d l n 77 0 ：蹙型塑21 c p t d l n 97 2 翱oioioi|ii|loioi释oioio孵ioiolo目lo重l薹lilil薹l冒蓁l蓁lil垂i蓁l兰1兰l三i兰i璺i曼1墨l薹l 2 2 2 22 0 2 2 2 0 2 旦2 2 笙兰星宝宝星星呈笙星呈宝呈星譬星星呈星星兰星星笠星譬 2 2 2 2 2 2 2 2 旦2 笋9 盘盈 o o i i 百百 u u 一l 一2 i 曼l = l = i 嚣l 昌l 嚣i 器l 霉l ；l 譬l 零 爿；j = i 零 蛊l = i 宝i 曼i 墨l 墨1 墨1 _ 4 高1 4 4 4 4 4 _ 4 4 4 4 4 图2 5 c p l d 模块电路 i l g n d n r r g n d 、r r g n d l n t g n d 小r r g n d d g n l ) d g n d l 0 g n d i ( ) g n d o g n d i o g n l ) 1 0 g n d d g n d l 0 o n d d g n f ) d g n d l 0 a 咀) d v c 【) v 3 1 0 d d i o d d d 1 0 d d l o i 【) a cc s 3 ! 塑! 坠! ：! 圣2 9 91 ) a ：c s i 9 8d a ：( s b 9 7 i ) a cc s 9 3 9 2 日m 3 1 2 舢、1 1 4 4 d d d d d d d d d d q e o h 们羔工，o -) i u o o o o h 一业juo、lf_卜z一 一o、卜1卜z c尘一uo、卜1lz n)l_iuoa山o，|卜r_e卜z一 一 (一izonn)工nluu譬一izonn)工niuu一扣jzonn)工，iluu 筘，izonn#n：dunn西on“一o_uu(nn匣o也nouunn匣o唧毡。一uu爹cn醴o叶n013unn酲o吨已08u d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d n 56789一一一一：2一哺 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s 2 4 主机通信模块 丰机通信模块实现主机与d s p 之问的数据交互。目前，市场上运动控制卡的通 信接口以i s a 总线和p c i 总线为蕾，1 s a 总线的传输速率较低，其最人传输速率仅 为6 4 m b p s ，p c i 总线传输速度快，可以达到4 8 0 m b p s ，但p c i 总线接【 数量有限 且插拔不方便，一旦需要驱动新的外围设备就必须重新启动系统，因此这类接口的 使用受到了很火的限制。通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的出现很好的 解决了以上的问题。运动控制卡与p c 机通过u s b 总线通信，能够达到很高的数据 传输速率，从而保证了数控系统的实时性。 u s b 接口主要有以下特点：即插即用，不需要频繁地开关机；支持热插拔，可 以带电插拔u s b 设备；传输速率高，u s b 2 0 总线接口的最高传输速率可以达到 4 8 0 m b p s ；纠错能力强，u s b 协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，能够 根据传输数据不同的类型来处理传输错误；扩展能力强，利用u s b 集线器可以接 入1 2 7 个u s b 设备田1 。 本系统采用了c y p r e s s 公司的u s b 2 0j 芯片c y 7 c 6 8 0 0 1 实现p c 机和d s p 之间 的u s b 通信。之所以选择c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片作为u s b 接口j 醛片是冈为它是基于应 用层编程的接门器件，内部不带处理器，除了简单配置几个寄存器外，不需要太多 u s b 规范的知识，接口简单，编程简单，支持高速模式( 4 8 0 m b p s ) ，使j 村和开发 都很方便。c y 7 c 6 8 0 0 1 上集成了u s b2 0 收发器、u s b2 0 串行接口引擎s i e 、4k b f i f o 存储器、数据总线和地址总线。图2 6 为u s b2 0c y 7 c 6 8 0 0 1 接口电路。 c y 7 c 6 8 0 0 1 有两个外部接口，命令接口和f i f o 数据接口，命令接口用来访问 c y 7 c 6 8 0 0 1 的寄存器，e n d p o i n t0 缓冲器及描述表，f i f o 数据接口用来访问四个 l k 的f i f o 中的数据1 2 4 j 。在本系统中c y 7 c 6 8 0 0 1 作为f 2 8 1 2 的外设，占用f 2 8 1 2 的z o n e0 空间，地址范围为0 x 0 02 0 0 8 - q 2 x 0 02 0 0 f 。地址分配表如表2 1 所示。 表2 1c y 7 c 6 8 0 0 1 与f 2 8 1 2 连接的地址分配表 访问空间类型 f i f o a d r 2 ：0 】 f 2 8 1 2 地址 f i f 0 20 0 00 x 0 0 2 0 0 8 f i f 0 4 0 0 1 o x 0 0 2 0 0 9 f i f 0 60 l oo x 0 02 0 0 a f i f 0 8 0 1 l0 x 0 02 0 0 b 命令口 1 0 00 ) 【0 02 0 0 c 保留1 0 1o x 0 02 0 0 d 保留 1 1 0+ 0 x 0 0 2 0 0 e 保留 l llo x 0 0 2 0 0 f 1 2 、： 硕士学位论文 m s t e r st ) t e s i s u s b u s b v c c 3 v 3 6 8 8 5 3 ；3 8 uuuuuuu a v c c r 髓瞪 d m 小n l s d p i j j s h ju i 2 c y 7 c 5 8 0 0 l z 一 一 卜 卜_ o j f - 2 p f r e d y i n 删 s e f 矿0 a d r 2 f i f o a l ) i 砷 f i f o a u r l p k l e n d 兀a g 吖c 谢 2 5 数模转换电路 图2 6u s b2 0 c y 7 c 6 8 0 0 1 接口电路 4 0 4 i 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 u s b