基于嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此將嵌入式技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，研制出高速高精度嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種以TMS320VC5402為核心處理器，適用于多輸入多輸出專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器信號(hào)采集、信息融合、位置控制算法、網(wǎng)絡(luò)功能、多路輸出給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息/能量轉(zhuǎn)換。

2 運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器接口要求將系統(tǒng)分為主電路和外設(shè)兩個(gè)部分。主電路部分由以TI公司的處理器芯片TMS320VC5402為主體的數(shù)字電路構(gòu)成；外設(shè)部分由相關(guān)外圍接口電路構(gòu)成。按照功能不同可以分為以下幾個(gè)模塊：DSP最小系統(tǒng)、網(wǎng)卡接口電路、PCI接口、串口收發(fā)電路、模擬量，脈沖量和開(kāi)關(guān)量的接口、人機(jī)交互接口。

2.2 硬件系統(tǒng)各功能模塊介紹

2.2.1 DSP 獨(dú)立小系統(tǒng)接口電路

所謂最小系統(tǒng)是指在盡可能少的外部元器件和電路條件下，形成一個(gè)使DSP能夠正常運(yùn)行的最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用16位定點(diǎn)DSP TMS320VC5402為核心器件，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)控制核心。由于選用的TMS320VC5402其片內(nèi)有可用于數(shù)據(jù)、程序空間的存儲(chǔ)器，因此，最小系統(tǒng)可由DSP本身以及晶體振蕩器、復(fù)位電路、譯碼電路等組成。

2.2.2 以太網(wǎng)通信接口電路設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器非常重要的功能之一就是要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞。因此需要s用網(wǎng)絡(luò)接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間通信。在本系統(tǒng)中采用了REALTEK公司的RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)接口芯片。

RTL8019AS 引腳可分為電源及時(shí)鐘引腳、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口引腳、自舉ROM及初始化EEPROM接口引腳、主處理器接口引腳、輸出指示及工作方式配置引腳。由此將網(wǎng)卡硬件接口電路設(shè)計(jì)主要分為兩大部分：第一部分為網(wǎng)卡與DSP接口實(shí)現(xiàn)，第二部分為網(wǎng)卡芯片外圍電路設(shè)計(jì)。RTL8019AS的總線接口是與ISA總線兼容的，雖然不能與5402的外部總線直接接口，但是只要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的邏輯變換就可以了。另外，5402和RTL8019AS的引腳電平不兼容，因此它們之間對(duì)應(yīng)的引腳不能夠直接相連，需要在中間加上電平轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)中的CPLD可以完成電平轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)CPLD還能夠產(chǎn)生RTL8019AS的控制邏輯信號(hào)。

2.2.3 PCI 接口設(shè)計(jì)

由于在系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫约皩?shí)時(shí)性要求較高，所以采用方法之一即通過(guò) PCI局部總線的方法與主機(jī)的進(jìn)行通訊。這比傳統(tǒng)的通過(guò)ISA總線的方式來(lái)通訊的方法具有速度高、可即插即用、可移植性好等方面的優(yōu)勢(shì)。在本系統(tǒng)中，采用 TI的專(zhuān)用配套芯片PCI2040將PCI總線與DSP5402的HPI（Host Port Interface）接口進(jìn)行連接。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件框圖

圖2 AD轉(zhuǎn)換接口電路圖 圖3 DA轉(zhuǎn)換接口電路圖

2.2.4 RS-422A串口設(shè)計(jì)

RS422A 是一種以平衡方式傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可雙端發(fā)送、雙端接收。發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送及差動(dòng)接收。通過(guò)前者把邏輯電平變成電位差，完成始端信息傳送；通過(guò)后者把電位差變成邏輯電平，完成終端信息接收。并且RS422A采用雙線傳輸，大大提高了抗干擾能力。最大傳輸速率可達(dá)10 Mb/s（傳輸距離15 m時(shí)），傳輸速率降至90 kb/s時(shí)，最大傳輸距離可達(dá)1200 m，這能充分滿(mǎn)足系統(tǒng)的遠(yuǎn)程要求。

RS422 通信接口芯片的選擇需要考慮芯片的通信速率是否滿(mǎn)足要求, 在設(shè)計(jì)中選擇MAXIM 的MAX3291 芯片。MAX3291 是一種全雙工的高速的RS422 通信接口芯片,具有輸出短路保護(hù)功能以及接收失效保護(hù)功能,它通過(guò)減少由長(zhǎng)線引起的內(nèi)部信號(hào)干擾來(lái)增加可靠通信的距離與速度,通信速度可以達(dá)到5～10 Mbps。同時(shí),它還允許多達(dá)128 路同樣的RS422 通信接口芯片接在同一總線上,這為多機(jī)通信提供了方便。

2.2.6 D/A 轉(zhuǎn)換接口的實(shí)現(xiàn)

D/A轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的DAC7625UB。DAC7625UB與DSP的接口硬件電路如圖3所示。
圖中VrefH、VrefL分別為DA轉(zhuǎn)換的參考高電壓和參考低電壓，它表示模擬量輸出在兩者之間變化；CSDAC為選通信號(hào)低電平有效；R/W為讀/寫(xiě)信號(hào)，高電平代表處理器向DA發(fā)出讀命令，低電平表示向DA發(fā)出寫(xiě)命令； DA1-DA3表示4通道的模擬量輸出接口用來(lái)指示AD轉(zhuǎn)換完成；RST作為DA的復(fù)位信號(hào)，當(dāng)該復(fù)位有效時(shí)，DA處于初始狀態(tài)；LDAC為處理器裝載 DA的使能信號(hào)。同樣，DA的這些控制和狀態(tài)信號(hào)都連在CPLD的I/O上，通過(guò)對(duì)CPLD編程即可實(shí)現(xiàn)處理器和DA的接口。

2.2.7 開(kāi)關(guān)量和脈沖量接口

系統(tǒng)提供7路標(biāo)準(zhǔn)TTL電平的脈沖量輸入輸出接口。包括2路20s一個(gè)下降沿有效的脈沖；2路周期分別為20ms和5ms，3V－5V差分方式脈寬 10us-20us，脈沖上升沿不超過(guò)0.5us；周期1ms，3V－5V差分方式脈寬10us-20us的信號(hào)3路。同時(shí)還需要處理14路直流+24V 和4路直流+27V開(kāi)關(guān)量?？梢酝ㄟ^(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)這部分功能，并且使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。由于脈沖量和開(kāi)關(guān)量接口部分的電平與系統(tǒng)提供的電平不一樣，因此需對(duì)脈沖量進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，用到的器件主要是光電隔離和運(yùn)算放大器。

脈沖量隔離轉(zhuǎn)換電路是為了測(cè)量脈沖量周期、頻率等值設(shè)計(jì)的，脈沖量通過(guò)高速光電隔離器件6N137進(jìn)行電氣隔離，減少干擾，然后送入CPLD，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)周期、頻率的測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

在完成運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)之后，我們使用TI的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)仿真器在開(kāi)發(fā)目標(biāo)板上進(jìn)行仿真調(diào)試，現(xiàn)已脫機(jī)運(yùn)行。初步實(shí)驗(yàn)表明該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多路模擬量、脈沖量和開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，能完成與網(wǎng)絡(luò)中其它主機(jī)通信。由于TMS320VC5402強(qiáng)大的運(yùn)算功能，因此很容易就可實(shí)現(xiàn)多傳感器采集數(shù)據(jù)的信息融合和相應(yīng)的位置控制算法。