一種嵌入式運動控制器的實現(xiàn)

本文選用DSP與FPGA作為運動控制器的核心部件，設(shè)計了通用型運動控制器。其中DSP用于運動軌跡規(guī)劃、速度控制及位置控制等功能;FPGA完成運動控制器的精插補功能，用于精確計算步進電機或伺服驅(qū)動元件的控制脈沖，同時接收并處理脈沖型位置反饋信號。本文對該運動控制器的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了描述。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　運動控制器的總體性能指標為：作為一個單獨的運動控制器使用，控制信號采用數(shù)字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機;最高脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反饋信號最高頻率為4MP/s;能接收和處理4路編碼器反饋信號;可以處理原點信號、正負方向信號、到位信號以及急停信號等數(shù)字量輸入信號;提供16路數(shù)字量輸出信號和16路數(shù)字量輸入信號接口。運動控制器采用DSP與FPGA芯片作為主控芯片，主要包括DSP模塊、FPGA模塊、FPGA外圍電路模塊和數(shù)字量輸入輸出接口模塊。

　　采用基于DSP與FPGA的運動控制器，能夠?qū)崟r完成復(fù)雜的軌跡運算，而且利用DSP的高速數(shù)字信號處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優(yōu)點，能充分顯示該運動控制器的優(yōu)點。采用DSP與FPGA相結(jié)合的運動控制器可以方便地對系統(tǒng)的控制策略進行修改，對控制參數(shù)進行修正，并可使設(shè)備具有良好的可靠性、可維修性，而且還降低了成本。系統(tǒng)還可以采用更多的智能控制策略，結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適合于模塊化設(shè)計，能夠提高算法效率，且易于維護和擴展。總體設(shè)計方案原理框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 DSP模塊

　　本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專用DSP，內(nèi)含F(xiàn)LASH，主頻高達150MHz，具有數(shù)字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數(shù)據(jù)處理的場合。

　　選用TI公司生產(chǎn)的TPS767D318芯片來實現(xiàn)TMS320-F2812的電源設(shè)計，將5V電源分別轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V。

　　SRAM是DSP常用的外圍存儲器，它具有接口簡單、讀寫速度快等優(yōu)點，所以選擇大小為64KB的隨機存儲器CY7C1021作為存儲器擴展芯片。DSPF2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。

　　復(fù)位電路設(shè)計采用TI公司的TPS382x系列電壓監(jiān)控電路，此系列電路不需要外圍電路即可組成監(jiān)控電路。SCI模塊用于擴展RS-232和RS-485串行通信接口;CAN模塊和外部CAN工業(yè)現(xiàn)場總線相連;外部接口用于與FPGA連接和擴展數(shù)字量輸入輸出。