基于DSP與CAN總線的跟蹤伺服控制器設(shè)計(jì)

1、基于dsp與can總線的跟蹤伺服控制器設(shè)計(jì)目前的光電跟蹤伺服系統(tǒng)大都采納pc/104結(jié)構(gòu)，它是通過主控計(jì)算機(jī)完成對(duì)目標(biāo)捕捉跟蹤功能，但是組成實(shí)際應(yīng)用的跟蹤伺服系統(tǒng)還要疊加多塊板卡，不僅增大了系統(tǒng)體積，而且精度難以提高，花費(fèi)昂貴。而正以其高速的數(shù)據(jù)處理能力，豐盛的片內(nèi)外資源、便利的開發(fā)環(huán)境，以及低廉的價(jià)格在越來越多的計(jì)算控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用 。化是工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)展方向，它在可適用范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面較集中式控制系統(tǒng)有顯然的優(yōu)越性。因此，本文結(jié)合光電跟蹤伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種基于dsp與結(jié)構(gòu)的伺服控制器。在高速光電跟蹤系統(tǒng)中，對(duì)伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精確度和穩(wěn)定性都有很高

2、的要求。實(shí)際應(yīng)用中環(huán)境比較復(fù)雜，有大量的信息傳遞，并且需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速采取精確控制，從而對(duì)伺服控制器的多路通信能力、迅速運(yùn)算能力和抗干擾能力都有較高的要求。因?yàn)榫哂懈叨褥`便的可配置性和規(guī)律時(shí)序控制能力，所以這里采納公司cyclone系列fpga為輔助處理器，設(shè)計(jì)了以ti公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器tms320f2812為核心， 通過can現(xiàn)場(chǎng)總線與上位機(jī)通信的跟蹤伺服控制器，并綜合闡述了該控制器的功能、硬件設(shè)計(jì)和軟件流程。該控制器具有兩路雙極性模擬信號(hào)輸入，兩路單極性模擬信號(hào)輸入，四路雙極性模擬信號(hào)輸出，可滿足控制兩個(gè)三相的12路輸出，一路can總線，三路rs422和一路rs232串行通信口，

3、具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)通信能力,是良好的數(shù)字控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)tms320f2812是一款專為電機(jī)控制所設(shè)計(jì)的芯片，片上集成了豐盛的片內(nèi)外設(shè)資源。設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了這一特點(diǎn)，簡化了外圍，降低了系統(tǒng)的功耗。按照電路中各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，將囫圇控制器大體分為三個(gè)部分：處理器部分、外圍通信接口部分和模擬信號(hào)處理部分?？刂破鞯目傮w硬件結(jié)構(gòu)圖1所示。圖中，處理器由dsp和fpga組成，完成板上主要的信息處理。上位機(jī)通過can總線向控制器發(fā)送命令，并能準(zhǔn)時(shí)獲得工作狀態(tài)等反饋信息。位置信號(hào)與位置增量信號(hào)分離通過三個(gè)rs422通信口傳給dsp，由dsp作相應(yīng)處理。兩軸的速度和反饋信號(hào)分離由板上

4、的雙極性和單極性采樣得到。dsp與fpga之間通過dsp的系統(tǒng)外部接口（xintf）舉行數(shù)據(jù)的讀寫。d/a轉(zhuǎn)換器的控制是通過fpga內(nèi)部的d/a轉(zhuǎn)換接口模塊接收dsp輸出的數(shù)字量實(shí)現(xiàn)的；計(jì)算機(jī)調(diào)試接口采納了一路rs232。2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 dsp與fpga模塊32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器tms320f21812整合了dsp和微控制器的最佳性能，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成3232位的乘法運(yùn)算，或兩個(gè)1616位乘法累加運(yùn)算，處理速度最高可達(dá)150 。它采納高性能靜態(tài)技術(shù)，內(nèi)核為1.8 v135 mhz, 1.9 v150 mhz, i/o端口電壓3.3 v5,6。其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特殊

5、適合電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，能夠真正實(shí)現(xiàn)單片控制,為電機(jī)的伺服控制提供良好的控制功能。fpga選型時(shí)綜合考慮片上規(guī)律單元和用戶i/o口數(shù)量，以及功能擴(kuò)展的需要。這里按照前期結(jié)果選用altera公司cyclone系列的ep1c3t144i7,它具有2 910個(gè)規(guī)律單元，104個(gè)用戶i/o和1個(gè)鎖相環(huán)，內(nèi)核電壓1.5 v，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)8,9。因?yàn)閒pga具有高速并行處理能力，保證了系統(tǒng)的同步性。它的i/o口支持3.3 v lvttl電平，與dsp管腳電平兼容，因此不用舉行電平轉(zhuǎn)換，可挺直銜接，用法便利。dsp的功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，在此主要實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)命令，完成位置環(huán)和速度環(huán)反饋的雙

6、閉環(huán)pid控制算法，產(chǎn)生pwm輸出。按照系統(tǒng)采樣頻率調(diào)節(jié)大事管理器的定時(shí)器控制寄存器的控制字來設(shè)定pwm工作方式和頻率，通過調(diào)節(jié)比較寄存器的數(shù)值來轉(zhuǎn)變pwm的占空比，按照功率驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)置死區(qū)控制寄存器的數(shù)值，以及來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)光，通過專用的pwm輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)的pwm信號(hào)。dsp與fpga之間實(shí)時(shí)精確的數(shù)據(jù)傳遞是系統(tǒng)勝利的一個(gè)關(guān)鍵因素。這里選用dsp上的系統(tǒng)外部接口(xintf)與fpga銜接，在fgpa內(nèi)部配置一個(gè)與dsp讀寫時(shí)序相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀寫接口。試驗(yàn)證實(shí)，這是一種穩(wěn)定有效的辦法。2.2 can總線及其他通信接口模塊can總線具有低成本、易開發(fā)、實(shí)時(shí)性好以及抗噪聲

7、性能好等優(yōu)點(diǎn)，傳輸速率最高為1 mb/s，最大傳輸距離為10 km(5 kb/s)。can的每幀信息都有crc校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低，同時(shí)降低了應(yīng)用程序的復(fù)雜程度，從而使通信越發(fā)牢靠?，F(xiàn)在它逐步進(jìn)展成為用于工業(yè)領(lǐng)域控制、通信的現(xiàn)場(chǎng)總線12。因?yàn)閷?shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，所以選用了抗干擾能力強(qiáng)的can總線作為與上位機(jī)的通信方式，tms320f2812內(nèi)部集成了一個(gè)ecan模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的can2.0b協(xié)議，只需加相應(yīng)的can外圍電路就可以輕松實(shí)現(xiàn)。dsp芯片的can總線控制器與can物理總線的接口選用pca82c250驅(qū)動(dòng)器芯片。為了增加抗干擾能力,庇護(hù)can控制器,在tms320f

8、2812與pca82c250之間加高速光隔。光隔離器采納6n137芯片，其速度為10 mhz。硬件電路2所示。其他通信接口模塊包括一路rs232和三路rs422。設(shè)計(jì)時(shí)為保證與系統(tǒng)的其他部分匹配，都采納了通常的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2.3 a/d、d/a轉(zhuǎn)換模塊按照轉(zhuǎn)換通道數(shù)、精度和轉(zhuǎn)換速度，d/a轉(zhuǎn)換芯片挑選burr-brown公司的7614。它是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，四路模擬輸出，功耗惟獨(dú)20 mw,單次轉(zhuǎn)換建立時(shí)光10 s。用法單極性輸出時(shí)，采納5 v供電；雙極性輸出時(shí)，采納5 v供電。在此需要用到雙極性輸出，基準(zhǔn)電壓源選用lm336-2.5，負(fù)電壓基準(zhǔn)采納反相放大方式產(chǎn)生。為避開外電路對(duì)板內(nèi)數(shù)字電

9、路的干擾，需要對(duì)數(shù)字部分舉行光電隔離。a/d轉(zhuǎn)換采納tms320f2812內(nèi)部集成的12位高速a/d轉(zhuǎn)換器。因?yàn)樗腶/d轉(zhuǎn)換通道只能輸入電壓范圍在03 v以內(nèi)的模擬信號(hào)，因此需要對(duì)輸入的雙極性電壓信號(hào)舉行處理，詳細(xì)電路3所示。圖中d1和d3兩個(gè)將輸入到dsp的電壓鉗制在03.3 v以內(nèi)，這樣有效地庇護(hù)了dsp。同時(shí)為了提高a/d的轉(zhuǎn)換精度，采樣時(shí)還需要舉行軟件校準(zhǔn)。原理是因?yàn)楦鱝/d通道間的誤差很小，所以將其中的兩個(gè)a/d轉(zhuǎn)換通道接在已知的固定電壓信號(hào)上，在對(duì)信號(hào)采樣前，先對(duì)這兩個(gè)已知的固定電壓信號(hào)舉行采樣，從而確定a/d的增益和偏移誤差。3 軟件流程系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化各端口和相關(guān)變量，同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)軸所停的位置和其他狀態(tài)。假如各部分狀態(tài)正常，則等待接收上位機(jī)開頭命令，接收到開頭命令后進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。由于囫圇跟蹤系統(tǒng)需要同步工作才干產(chǎn)生有效的數(shù)據(jù)，所以需要等待外同步脈沖信號(hào)，在這里以外部中斷的形式接收。然后一步步完成控制算法，當(dāng)收到結(jié)束命令時(shí)完成全部