基于DSP與FPGA的四軸運動控制器設計與研究

摘要：針對數(shù)控系統(tǒng)的工作特點和要求，通過對DSP TMS320F2812、FPGA EP2C8F256C6及以太網(wǎng)控刺器RTL8019AS的深入研究，設計了一種基于DSP與FPGA的運動控制器。該控制器以DSP和FPGA為核心器件，針對運動控制中的實時控制、高精度等具體問題，規(guī)劃了DSP的功能擴展，并在FPGA上擴展了功能相互獨立的四軸運動控制電路。該電路實現(xiàn)了四路控制信號輸出，四路編碼信號的接收和處理，以及原點信號，正負限位信號等數(shù)字量的接收和處理。具有結(jié)構(gòu)簡單、開放性、模塊化等特點，能夠較好的滿足運動控制器的實時性和精確性。
關(guān)鍵詞：DSP；FPGA；以太網(wǎng)控制器；運動控制器

0 引言
運動控制技術(shù)是制造自動化的關(guān)鍵基礎，其水平高低是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，研究和開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的運動控制器是當前運動控制領域的一個重要發(fā)展方向。隨著集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，運動控制器已從以單片機和微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，發(fā)展到了基于PC機平臺的以數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為核心處理器的協(xié)處理架構(gòu)的開放式運動控制器。該控制器將PC機和DSP的信息處理能力與FPGA的外圍擴展功能很好的結(jié)合在一起，具有信息處理能力強、模塊化、開放程度高、運動軌跡控制精確等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)概述
該四軸運動控制器系統(tǒng)以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8F256C6為核心，DSP通過網(wǎng)口接收上位機的控制參數(shù)，完成系統(tǒng)位置、速度控制及運動軌跡規(guī)劃；FPGA完成運動控制器的精確插補功能和外圍電路的擴展，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

運動控制器的主要功能包括：4路模擬電壓輸出，電壓范圍為-10～+10 V，分辨率為16 b；4路脈沖量信號輸出；4路脈沖方向信號輸出；4路驅(qū)動復位信號輸出；4路驅(qū)動使能信號輸出；4路差分編碼信號輸入；4路驅(qū)動報警信號輸入；8路正負限位信號輸入；4路原點信號輸入；16路通用數(shù)字量。I／O。

2 DSP模塊設計
DSP根據(jù)從上位機接收的運動模式和運動參數(shù)實時計算規(guī)劃位置和規(guī)劃速度，生成所需的速度曲線，實時的輸出規(guī)劃位置。TMS320F2812是TI推出的一款專門用于電機控制的32位定點DSP芯片，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻高達150 MHz(指令周期6．67 ns)，低功耗，核心電壓為1．8 V，I／O電壓3．3 V，支持JTAG邊界掃描，128K×16 b的片內(nèi)FLASH。有兩個事件管理器(EVA和EVB)，它們都是特定的外圍設備，為多軸運動控制器而設計的?？赏ㄟ^外部存儲器接口XINTF擴展外部存儲器。DSP外圍模塊設計如圖2所示。