由于DSP將超強(qiáng)的高速實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外設(shè)功能集于一身,目前,以DSP為核心的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)成為開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展主流,并獲得廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò) 對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器基本功能的研究,在分析、消化已有的基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制器硬件資源基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng),詳細(xì)介紹了運(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)。
1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)
本運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個(gè)模塊:DSP+CPLD 主控模塊,包括 DSP 核心 模塊和 CPLD 驅(qū)動(dòng)與擴(kuò)展模塊;通信接口模塊,包括 PCI 總線(xiàn)、USB 總線(xiàn)和串口;I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲(chǔ)器模塊,包括 SRAM 和 FLASH。本運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖
1.1 DSP+CPLD 主控模塊
本系統(tǒng)采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 為控制核心,這是工業(yè)界首批 32 位的控制 專(zhuān)用、內(nèi)含 FLASH 以及高達(dá) 150MHz 主頻的數(shù)字信號(hào)處理器,專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。TMS320F2812 采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu),有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間;具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力,能夠?qū)崟r(shí)地處理許多復(fù)雜的控制算法;片上內(nèi)存豐富,可支持45 個(gè)外設(shè)級(jí)中斷和 3 個(gè)外部中斷,提取中斷向量和保存現(xiàn)場(chǎng)只需 9 個(gè)時(shí)鐘周期,響應(yīng)迅速; 片上集成了多種先進(jìn)的外設(shè),包括兩個(gè)事件管理器(EV)、12 位 A/D、兩個(gè)串行通信接口(SCI)、一個(gè)串行外圍接口(SPI)以及一個(gè)多通道緩沖串行接口(McBSP)等;其通用輸 入/輸出多路復(fù)用器(GPIO)擁有多達(dá) 56 個(gè) I/O 口,在系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)中正是利用了這些豐富的內(nèi)外設(shè)資源,才實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的各種功能。
本系統(tǒng)中選用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 系列的 EPM3128,這是一款高性能、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系統(tǒng)的控制對(duì)象是步進(jìn)電機(jī),所以設(shè)計(jì)中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口進(jìn)行電機(jī)控制接口與 I/O 接口的輸入輸出,但是由于 TMS320F2812是低功耗處理器,其 GPIO 引腳的輸出驅(qū)動(dòng)能力有限,而且由于 DSP 是主控核心,負(fù)載比 較多,所以將所有輸出信號(hào)都經(jīng)過(guò) CPLD 驅(qū)動(dòng)后輸出,提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。此外,CPLD還用于系統(tǒng)電路的譯碼,增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。
1.2 通信接口模塊
本系統(tǒng)在用作插卡式運(yùn)動(dòng)控制時(shí)利用 PCI 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn) DSP 與 PC 的通信。PCI(PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯(lián))總線(xiàn)是 Intel 公司聯(lián)合其他 100 多家公司于 1992 年推 出的基于新一代處理器的一種局部總線(xiàn),是一種高性能 32/64 位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線(xiàn),能為 CPU 及外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)。PCI 總線(xiàn)具有嚴(yán)格的規(guī)范,目前已經(jīng)發(fā)布了 PCI V1.0 和 V2.1規(guī)范,保證了其良好的兼容性;PCI 總線(xiàn)與 CPU 無(wú)關(guān),與時(shí)鐘頻率也無(wú)關(guān),可適用于各種平臺(tái),支持多處理器和并發(fā)工作;PCI 總線(xiàn)可以提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率,還具有良好的擴(kuò) 展性。因此,PCI 總線(xiàn)在基于計(jì)算機(jī)總線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。
本系統(tǒng)選用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)和 DSP 之間的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控制器,它是基于應(yīng)用層編程的接口器件,相對(duì)于其它基于 鏈路層編程的接口器件,使用和開(kāi)發(fā)都很方便。本系統(tǒng)采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模塊以及 MAX232 芯片轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn) RS-232 的通 信信號(hào),實(shí)現(xiàn)正常的串口通信。
1.3 I/O 輸入輸出接口模塊
本系統(tǒng)的輸入/輸出是通過(guò) CPLD 的邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的,以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設(shè) 計(jì)柔性??紤]到運(yùn)動(dòng)控制器的可擴(kuò)展性以及 DSP 的 GPIO 引腳的數(shù)量,共設(shè)計(jì)了 16 路數(shù)字量輸出通道和 16 路數(shù)字量輸入通道。數(shù)字量輸出通道主要用于各軸方向、脈沖信號(hào)的輸出以及一些外部設(shè)備的啟??刂疲缰鬏S及冷卻液的開(kāi)關(guān)控制等;數(shù)字量輸入通道可根據(jù)用戶(hù) 具體要求來(lái)定義其用途,如作為傳感器接口,用于零點(diǎn)、限位信號(hào)的輸入等。為提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性,系統(tǒng)輸出采用了普通輸出和差分輸出兩種方式,具體使用可由用戶(hù)自行設(shè)定。
1.4 外圍存儲(chǔ)器模塊
TMS320F2812 芯片內(nèi)部包括 128KB 的 FLASH 和 18KB 的 SARAM,其中 128KB 的FLASH 用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件程序已經(jīng)足夠,但是在實(shí)際使用中,考慮到運(yùn)動(dòng)控制指令和加工程序需要通過(guò) USB 總線(xiàn)或 PCI 總線(xiàn)下載到運(yùn)動(dòng)控制器中,且 DSP 在工作過(guò)程中需要處理大 量的數(shù)據(jù),僅依靠 DSP 芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,所以考慮外擴(kuò)一片 FLASH 和一片SRAM 作為用戶(hù)加工程序存儲(chǔ)器和系統(tǒng)的工作存儲(chǔ)器,它們通過(guò) CPLD 完成與 DSP 之間的讀寫(xiě)操作。
本系統(tǒng)選用了 Intel 公司的 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8MB FLASH,其讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為 150ns,此讀寫(xiě)周期已經(jīng) 大于 DSP 對(duì)外部端口的讀寫(xiě)周期,為了能夠和 DSP 的讀寫(xiě)周期進(jìn)行匹配,在對(duì) FLASH 進(jìn) 行讀寫(xiě)操作過(guò)程中必須插入等待周期。IS61LV51216 是一種高速異步靜態(tài) 512KB 的 SRAM, 其讀寫(xiě)周期為 10ns,與 DSP 之間可以無(wú)需插入等待周期便可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作,并可以直接映射到 DSP 外部存儲(chǔ)接口的 Zone2 或者 Zone6 區(qū)域。
2 運(yùn)動(dòng)控制器軟件結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)
運(yùn)動(dòng)控制器通常作為一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程控制單元用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中,它的功能是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的硬件為軟件運(yùn),行提供了支撐環(huán)境,軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的所有功能。本系統(tǒng)軟件需要完成控制和管理兩大任務(wù),圖 2 表示的是其軟件功能結(jié)構(gòu)。
圖2 運(yùn)動(dòng)控制器軟件功能結(jié)構(gòu)圖
其中,系統(tǒng)的控制包括位置控制、插補(bǔ)、速度處理和開(kāi)關(guān)量 I/O 控制等,這類(lèi)任務(wù)的實(shí) 時(shí)性很強(qiáng),所以軟件程序的優(yōu)先級(jí)也較高;系統(tǒng)的管理包括人機(jī)界面顯示、參數(shù)設(shè)置和程序 下載等,這類(lèi)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不高,所以軟件程序的優(yōu)先級(jí)也相對(duì)較低??梢哉f(shuō),一個(gè)運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能均由上述功能的子程序?qū)崿F(xiàn),通過(guò)增加子程序可進(jìn)一步增加系統(tǒng)的功 能。
要實(shí)現(xiàn)這些功能,必須做好運(yùn)動(dòng)控制器的軟件規(guī)劃,劃分各個(gè)功能模塊,才能在 DSP 芯片上設(shè)計(jì)運(yùn)行程序。本系統(tǒng)軟件主要分為兩個(gè)層次,包括 PC 層軟件和 DSP 層軟件,其中PC 層軟件在單板式運(yùn)動(dòng)控制中主要實(shí)現(xiàn)加工程序的傳輸和下載等功能;在插卡式運(yùn)動(dòng)控制中,除此之外,還需實(shí)現(xiàn)加工情況顯示、加工命令發(fā)送等人機(jī)交互界面的功能。 運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能由 DSP 層完成,本課題的主要任務(wù)也是 DSP 層軟件的程序?qū)崿F(xiàn),具體包括:
1.運(yùn)動(dòng)控制 運(yùn)動(dòng)控制功能是運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能,包括位置控制、插補(bǔ)和輔助功能的輸入輸出I/O 控制。本系統(tǒng)基本功能是實(shí)現(xiàn) XYZ 三軸的運(yùn)動(dòng)控制,包括三軸聯(lián)動(dòng)的直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)和任意兩軸圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制,提供單脈沖(即脈沖+方向)和雙脈 沖(即脈沖+脈沖)兩種控制方式。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
2.速度控制 速度控制即調(diào)速,利用加減速算法,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)空行程時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度不小于 100KHz,加工過(guò)程中的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)速度不小于 40KHz;當(dāng)脈沖當(dāng)量為 2.5 微米時(shí)可達(dá)到的空行程和加工的最高速度分別為 15m/min 和 6m/min。
3.通信功能 運(yùn)動(dòng)控制器不是一個(gè)孤立封閉的系統(tǒng),它必須和外界交換數(shù)據(jù),主機(jī)通信主要完成兩個(gè) 任務(wù):一個(gè)是程序的下載,另一個(gè)是控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋。根據(jù)單板式控制和插卡式控制兩種不同的應(yīng)用,分別有不同的通信方式。其中,在單板式控制中,通過(guò) USB總線(xiàn)進(jìn)行程序下載而通過(guò)串口進(jìn)行控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋;在插卡式控制中,兩種任務(wù)都是由 PCI 總線(xiàn)來(lái)完成。本系統(tǒng)的多用性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在通信方式的不同上,支持PCI 總線(xiàn)方式、USB 總線(xiàn)方式以及異步串行總線(xiàn)方式,供用戶(hù)自由選擇。
4.參數(shù)設(shè)置 作為開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器,應(yīng)該允許用戶(hù)對(duì)控制系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與修改。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將各參數(shù)存放在 FLASH 中,允許用戶(hù)通過(guò)人機(jī)界面對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改,修改后的參數(shù)將在下次操作中起作用。
2.2 系統(tǒng)軟件層次設(shè)計(jì)
DSP軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思路,為使結(jié)構(gòu)清晰,整個(gè)系統(tǒng)軟件按功能群分割為多個(gè)文件分別處理和完成相應(yīng)的任務(wù),主要分為三個(gè)層次:
1 主控層:不涉及具體操作,只負(fù)責(zé)各個(gè)任務(wù)調(diào)度、中斷安排、時(shí)間和優(yōu)先級(jí)處理等, 主控層只有一個(gè)文件 main.c,包括主函數(shù)和中斷函數(shù),在主函數(shù)和中斷函數(shù)中調(diào)用算法層的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能。
2 算法層:負(fù)責(zé)具體任務(wù)執(zhí)行,控制算法實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)的主要功能都在算法層實(shí)現(xiàn),包 含的模塊由系統(tǒng)要求的各個(gè)功能來(lái)決定,算法層主要用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、速度控制和系統(tǒng)管理等功能,各模塊之間通過(guò)標(biāo)志位來(lái)聯(lián)系,不互相調(diào)用。
3 接口層:負(fù)責(zé)與硬件的接口,所有與外設(shè)有關(guān)的操作都在該層進(jìn)行處理,接口層中 包括 DSP 硬件資源的定義、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動(dòng)等。除接口層外,系統(tǒng)其它層的程序禁止直接對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作,接口層直接對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作的函數(shù)盡可能做到功能完善。 綜上所述,本系統(tǒng)根據(jù)以上功能和層次進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)并遵循以下原則:
?。?)全局性:盡量保證系統(tǒng)各模塊負(fù)載均衡;
?。?)正確性:數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密,盡可能利用試驗(yàn)驗(yàn)證;
?。?)結(jié)構(gòu)化:軟件設(shè)計(jì)做到層次化、模塊化、封裝化;
(4)規(guī)范性:保證程序的易讀性、移植性和可維護(hù)性。
3 小結(jié):
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)控制是數(shù)控技術(shù)的核心,近年來(lái),隨著開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展, 開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器也得到了前所未有的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)部件,已經(jīng)被越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受,并形成了令人矚目的市場(chǎng)規(guī)模。本文介紹了運(yùn)動(dòng)控制器的總體設(shè)計(jì)方案,包括運(yùn)動(dòng)控制器的硬件平臺(tái)以及軟件設(shè)計(jì)思路。
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