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1 引言 隨著(zhù) DSP 技術(shù)的飛速發(fā)展，以其為核心的多軸運動(dòng)控制卡越來(lái)越廣泛的應用在運動(dòng)控制系統中。上位機只需對被控對象實(shí)施總體的控制和管理，而位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制的計算和控制量的輸出均由運動(dòng)控制卡完成，這極大地提高了運算速度和控制響應速度。本文設計的運動(dòng)控制卡以TI 公司的32 位定點(diǎn)DSP TMS320F2812 為核心處理器，輔以運動(dòng)控制器LM628，通過(guò)PCI 總線(xiàn)專(zhuān)用接口芯片PCI9052 與上位機通信，實(shí)現3 軸(可擴成多軸)伺服電機的控制，完成位置、速度控制以及直線(xiàn)、圓弧插補功能。本文將對運動(dòng)控制卡的硬件設計進(jìn)行詳細的介紹。 2 運動(dòng)控制卡的硬件結構 TMS320F2812 是基于TI 公司最新的C28x 內核而設計的。與其他的處理器相比，其具有如下一些特點(diǎn)：采用低功耗設計，核心電壓僅1.8V"1.9V，顯著(zhù)降低了功耗，指令周期可達6.67ns；新增了擴展控制寄存器以實(shí)現各種增強功能；多達128K×16 位的Flash 存儲器，足夠用于存儲程序和數據變量；56 個(gè)可編程或復用的通用I/O。 LM628 是NSC 公司專(zhuān)為使用增量式編碼器作為位置反饋的伺服機構而設計的一種芯片，其集成度高，需要外圍部件少，易于調試。主要特點(diǎn)如下：具有32 位位置、速度和加速度寄存器；帶有16 位參數的可編程數字PID 控制器；可編程微分采樣間隔；運動(dòng)過(guò)程中可改變速度、預期位置和PID 控制器參數；實(shí)時(shí)可編程的主機中斷。 PCI9052 是PLX 公司推出的低成本、低功耗、32 位PCI 總線(xiàn)專(zhuān)用目標接口芯片。其兼容PCI V2.1 協(xié)議特性，可與多種局部總線(xiàn)相連；支持復用或非復用的8/16/32 位局部總線(xiàn)；支持4 個(gè)局部片選信號和5 個(gè)局部地址空間；支持兩個(gè)來(lái)自局部總線(xiàn)的中斷，可生成一個(gè)PCI 中斷；支持局部總線(xiàn)等待狀態(tài)，附加的LRDYi#握手信號可用于產(chǎn)生各種等待狀態(tài)。運動(dòng)控制卡的總體硬件結構如圖 1 所示。其中，DB 為數據總線(xiàn)，AB 為地址總線(xiàn)，CB為控制總線(xiàn)，CS-1"CS-4 為片選信號，XA0 為DSP 經(jīng)電平轉換后的最低位地址線(xiàn)。 圖 1 運動(dòng)控制卡的總體硬件結構 從圖中可以看出 PCI 接口芯片的PCI 總線(xiàn)端直接與金手指相連，局部總線(xiàn)端則通過(guò)雙端口RAM 與DSP 相連，構成16 位存儲轉換電路。DSP 分別與三片LM628 相連，與其配合以實(shí)現3 軸運動(dòng)控制。這樣既解決了DSP 因系統資源不足不能控制多軸的問(wèn)題，又彌補了LM628 單獨控制時(shí)總線(xiàn)傳輸延時(shí)的缺點(diǎn)。LM628 的數字量輸出經(jīng)數/模轉換和電壓放大后轉換為交流伺服驅動(dòng)器可以接收的模擬電壓信號(-10V"+10V)。而伺服電機增量式光電編碼器的反饋經(jīng)差分電路濾波并合成單端信號接入到LM628 中，以構成位置閉環(huán)控制。 圖 2 PCI 總線(xiàn)接口框圖 2.1 PCI 總線(xiàn)接口 PCI 總線(xiàn)是一種高性能、32 位地址/數據復用總線(xiàn)，數據傳輸速率高達132MB/s。目前實(shí)現PCI 接口的有效方案有使用可編程邏輯器件和使用專(zhuān)用接口芯片兩種。前者實(shí)現PCI接口比較靈活，但是設計難度很高。后者雖沒(méi)有前者那么靈活，但其優(yōu)越性非常明顯：能夠有效降低接口設計的難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)其還具有較低的成本和通用性，并能夠優(yōu)化數據傳輸，提供配置空間等。這里采用PCI9052 實(shí)現PCI 總線(xiàn)接口，并選用EEPROM93LC46B 對其進(jìn)行配置，電路框圖如圖2 所示。中斷信號這里只用到一條中斷線(xiàn)INTA#。 2.2 局部總線(xiàn)接口 為了滿(mǎn)足DSP 與上位機之間大量數據的高速交換，這里采用主從式共享雙口RAM 的通信方案，接口電路如圖3 所示。由于IDT7133 是2K×16 位的SRAM，因此將PCI9052的局部總線(xiàn)設置為16 位寬的數據總線(xiàn)，即將LBE1#單獨接到IDT7133 的A0L 端。BUSYL經(jīng)非門(mén)接到PCI9052 的LRDYi#端，這是因為當BUSYL 為高時(shí)才允許外部設備訪(fǎng)問(wèn)，而局部總線(xiàn)準備好信號LRDYi#為低電平有效。BUSYR 經(jīng)電平轉換后直接接到TMS320F2812 的READY 端。當BUSYL 或BUSYR 任何一個(gè)引腳被置低，其所屬設備就等待一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)周期，直到BUSY 被拉高，即雙口RAM 不再忙，這樣便保證了數據傳輸的準確性和可靠性。因此，采用雙口RAM 通信不但簡(jiǎn)化了接口電路的設計，而且提高了上下位機數據交換的速度。 圖 3 局部總線(xiàn)接口電路 2.3 LM628 伺服控制單元 控制卡共有 3 路輸出，其中一路如圖4 中虛線(xiàn)框(1)所示，其余兩路與此類(lèi)似。XD0"XD7為DSP 的低八位數據線(xiàn)，LM628 所需的32 位數據由其經(jīng)總線(xiàn)驅動(dòng)芯片SN74LVC4245 分四個(gè)寫(xiě)周期寫(xiě)入。DSP 經(jīng)CS-1 選通LM628 后，再結合XA0 就可實(shí)現對其讀寫(xiě)。為了提高控制精度，這里采用12 位輸出模式，即在每一個(gè)采樣周期，LM628 的18"23 腳輸出兩個(gè)周期，前一個(gè)輸出低6 位數據，后一個(gè)輸出高6 位數據。為了讓12 位數據能同時(shí)輸入到后續的DAC芯片中，這里采用了一片6 位數據鎖存器74LS378。當LM628 輸出低6 位時(shí)，DA0 是輸入觸發(fā)器的時(shí)鐘信號，DA1 是觸發(fā)器的允許信號，此時(shí)，鎖存器的G 端為高，數據鎖存，接著(zhù)LM628 輸出高6 位數據，此時(shí)DA0 是給DAC 芯片的寫(xiě)信號，DA1 是片選信號，鎖存器的G 端為低，數據不鎖存。這樣便從8 位輸出合成了12 位的DAC 輸入信號DAC0"DAC11。 圖 4 運動(dòng)控制卡的一路實(shí)現原理圖 2.4 數/模轉換和放大電路 如圖 4 中虛線(xiàn)框(2)所示，DAC 參考電壓Vref 由Maxim 公司的MAX680 提供，而LM358的±12V電源則可直接從PCI 插槽獲得。LM628 輸出的12 位數字量經(jīng)AD7545A 轉換為相應的模擬量，再由LM358 兩級運算放大成－10V"＋10V 電壓信號送往交流伺服驅動(dòng)器，從而驅動(dòng)電機運轉。電阻R26 和R27 用來(lái)調整滿(mǎn)刻度輸出電壓和抑制零點(diǎn)漂移，電容C38 則用來(lái)加快DAC變換速度和對其輸出進(jìn)行頻率補償。最終輸出電壓Vout1 可由式(1)計算得出： 2.5 差分電路 在噪聲比較大的環(huán)境中，為了解決干擾和遠距離傳輸等問(wèn)題，通常采用差動(dòng)信號傳輸，如圖4 中虛線(xiàn)框(3)所示。為了進(jìn)一步消除干擾，在每個(gè)輸入端都接入一個(gè)濾波電容，同時(shí)在每一對差動(dòng)信號輸入線(xiàn)之間接一個(gè)用于線(xiàn)路阻抗匹配的電阻。差動(dòng)信號(IN＋、IN－、A＋、A－、B＋、B－)經(jīng)差動(dòng)線(xiàn)路接收器SN75175 和高速光電耦合器6N137 轉換為單端信號(IN、A、B)輸入到LM628 中，以實(shí)現閉環(huán)控制。 2.6 譯碼電路 如圖 4 中虛線(xiàn)框(4)所示，采用一片3/8 譯碼器74LS138 對地址譯碼，實(shí)現對控制卡3路伺服單元的片選，而XA0 則專(zhuān)門(mén)用于對LM628 進(jìn)行讀寫(xiě)控制，這樣得出的地址信號是連續的(0XF60"0XF65)。另外，采用一片四位二進(jìn)制碼比較器74LS85 實(shí)現DSP 對雙口RAM的讀寫(xiě)片選。片選地址信號范圍為0"7FF，這剛好尋址雙口RAM 2K 范圍內的所有空間。 此外，由于TMS320F2812 要從雙口RAM 讀出大量的運動(dòng)軌跡數據并存儲，而其片內只有18KB 的空間，遠不能滿(mǎn)足要求，同時(shí)為了方便程序調試和修改，均需要DSP 擴展一片存儲器。這里選用CYPRESS 公司的256K×16 位的SRAM CY7C1041CV33，其讀寫(xiě)周期時(shí)鐘最快可達12ns，因此可與DSP 進(jìn)行零等待狀態(tài)接口，保證了DSP 的運算速度。 3 運動(dòng)控制卡的配置 配置空間是 PCI 總線(xiàn)所特有的一個(gè)空間，其通常與接口芯片相關(guān)，包括一系列的PCI配置寄存器。PCI9052 的配置寄存器分為PCI 配置寄存器和局部配置寄存器，兩者都可以由PCI 總線(xiàn)和串行EEPROM 訪(fǎng)問(wèn)。 3.1 PCI 配置寄存器及其配置 在 PCI 配置寄存器中的設備ID、制造商ID、版本號、首區類(lèi)代碼、類(lèi)別代碼、指令寄存器和狀態(tài)寄存器等在所有的PCI 設備中都必須實(shí)現。操作系統通常使用其內容來(lái)決定為該PCI 設備加載驅動(dòng)程序。此外，PCI 配置寄存器還提供6 個(gè)基地址寄存器，其中BASE0 和BASE1 是分別映射到內存和I/O 的基地址，可固定用于對PCI9052 的寄存器操作。而B(niǎo)ASE2"BASE5 最多可訪(fǎng)問(wèn)局部端所接的4 個(gè)設備，實(shí)現其局部地址空間的訪(fǎng)問(wèn)。PCI 總線(xiàn)對局部端設備的局部地址映射是通過(guò)1 個(gè)寄存器組(包括PCI 基地址寄存器、局部范圍寄存器、局部基地址寄存器和局部總線(xiàn)區域描述符)來(lái)實(shí)現的。它定義了每個(gè)空間及其特性，并將局部端設備通過(guò)局部端地址翻譯為PCI 總線(xiàn)地址，即將本地設備映射到系統的內存或I/O端口。而片選信號寄存器則用來(lái)選定這些設備。這樣，用程序操作這一段內存(或I/O)實(shí)際上就是對本地設備的操作。這些寄存器的內容必須在設備復位時(shí)通過(guò)串行EEPROM 加載。 3.2 局部配置寄存器及其配置 在這里，選取 LAS0(Local Address Space 0)訪(fǎng)問(wèn)局部端雙口RAM，與其相關(guān)的寄存器為L(cháng)AS0 范圍寄存器、LAS0 局部基地址寄存器、LAS0 局部總線(xiàn)區域描述符和片選0 基地址寄存器。LAS0 范圍寄存器用于定義板卡上資源所占地址空間的大小。由于板卡需要2KB的內存空間，而計算機預留了32KB 空間(即8000H)，因此寫(xiě)入寄存器的值為0xFFFF8000H；LAS0 局部基地址寄存器用來(lái)定義板卡資源所占的基地址，它將其重新映射到PCI 地址空間中，以使PC 機能對板卡進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。由于基地址必須是地址空間范圍的整數倍，又因局部地址空間位0 為使能位，因此，寫(xiě)入寄存器的值為00008001H；LAS0 局部總線(xiàn)區域描述符用來(lái)定義地址空間0 的具體工作特性。由于板卡數據總線(xiàn)采用16 位，工作方式定義為不使能突發(fā)和不可預取，因此寫(xiě)入寄存器的值為4043A1C0H；片選0 基地址寄存器用來(lái)確定片選信號有效的地址范圍，其既確定了片選信號的基地址又確定了片選信號的地址范圍。 這里控制卡采用PCI9052 的CS0#作為雙口RAM 的片選信號，則其起始地址和地址范圍都可由片選0 基地址寄存器設置。由于雙口RAM 容量為2KB，因此設置CS0#基地址寄存器的第11位為1，又局部總線(xiàn)端空間0 的基地址是0x00008000H，為方便尋址，將CS0#的基地址和局部總線(xiàn)端空間0 的基地址設為同一值。由于基地址(8000H)是CS0#地址范圍的16 倍，所以將CS0#基地址寄存器的第16 位設為1，再將位0 設為1 使能，這樣寫(xiě)入片選0 基地址寄存器的值為0x00008401H。當PC 機尋址時(shí)，地址映射到局部總線(xiàn)端的空間0，從其基地址開(kāi)始的2K 空間落在CS0#基地址寄存器所設置的范圍內，CS0#端則有效，可對雙口RAM各單元進(jìn)行讀寫(xiě)，這樣就不必根據地址譯碼得到片選邏輯，簡(jiǎn)化了硬件設計。此外，PCI9052提供兩種中斷源，即硬件和軟件中斷。這里板卡使用其提供的2 個(gè)局部中斷中的一個(gè)，即LINTi1 引腳，通過(guò)設置中斷控制/狀態(tài)寄存器(INTCSR)實(shí)現，并生成PCI 中斷INTA#方式。 4 驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā) 為了從 PCI 總線(xiàn)配置寄存器中獲得上位機動(dòng)態(tài)分配的映射基地址，并對映射端口進(jìn)行讀寫(xiě)，必須編寫(xiě)驅動(dòng)程序。編寫(xiě)時(shí)可以使用DDK，但是難度較大，需要做很多通用的基礎性工作。為簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，可以采用NuMega 公司開(kāi)發(fā)的DriverStudio 中的DriverWorks工具包進(jìn)行WDM 驅動(dòng)程序設計。由于其被嵌入到VC 中，因此可更方便的用于開(kāi)發(fā)和調試驅動(dòng)程序。實(shí)踐表明，DriverStudio 并沒(méi)有通過(guò)犧牲系統性能來(lái)?yè)Q取驅動(dòng)程序的快速開(kāi)發(fā)。 |
