定點(diǎn)DSP TMS320F2812和PCI9052實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 定點(diǎn)DSP TMS320F2812和PCI9052實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì) 隨著DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，以其為 的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。上位機(jī)只需對(duì)被控對(duì)象實(shí)施總體的控制和管理，而位置反應(yīng)信號(hào)的采集、閉環(huán)控制的計(jì)算和控制量的輸出均由運(yùn)動(dòng)控制卡完成，這極大地提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度。本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制卡以TI公司的32位定點(diǎn)DSPTMS320F2812為 處理器，輔以運(yùn)動(dòng)控制器LM628，通過(guò)PCI總線專用接口芯片PCI9052與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)3軸（可擴(kuò)成多軸）伺服電機(jī)的控制，完成位置、速度控制以及直線、圓弧插補(bǔ)功能。本文將對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的

2、硬件設(shè)計(jì)開(kāi)展詳細(xì)的介紹。 2運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件構(gòu)造 LM628是NSC公司專為使用增量式編碼器作為位置反應(yīng)的伺服機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的一種芯片，其集成度高，需要外圍部件少，易于調(diào)試。主要特點(diǎn)如下：具有32位位置、速度和加速度存放器；帶有16位參數(shù)的可編程數(shù)字PID控制器；可編程微分采樣間隔；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可改變速度、預(yù)期位置和PID控制器參數(shù)；實(shí)時(shí)可編程的主機(jī)中斷。 PCI9052是PLX公司推出的低成本、低功耗、32位PCI總線專用目標(biāo)接口芯片。其兼容PCIV2.1協(xié)議特性，可與多種局部總線相連；支持復(fù)用或非復(fù)用的8/16/32位局部總線；支持4個(gè)局部片選信號(hào)和5個(gè)局部地址空間；支持兩個(gè)來(lái)自局部總線的中斷，

3、可生成一個(gè)PCI中斷；支持局部總線等待狀態(tài)，附加的LRDYi#握手信號(hào)可用于產(chǎn)生各種等待狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)控制卡的總體硬件構(gòu)造如圖1所示。其中，DB為數(shù)據(jù)總線，AB為地址總線，CB為控制總線，CS-1”CS-4為片選信號(hào)，XA0為DSP經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的 位地址線。 從圖中可以看出PCI接口芯片的PCI總線端直接與金手指相連，局部總線端則通過(guò)雙端口RAM與DSP相連，構(gòu)成16位存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換電路。DSP分別與三片LM628相連，與其配合以實(shí)現(xiàn)3軸運(yùn)動(dòng)控制。這樣既解決了DSP因系統(tǒng)資源缺陷不能控制多軸的問(wèn)題，又彌補(bǔ)了LM628單獨(dú)控制時(shí)總線傳輸延時(shí)的缺點(diǎn)。LM628的數(shù)字量輸出經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和電壓放大后轉(zhuǎn)換為交流伺

4、服驅(qū)動(dòng)器可以接收的模擬電壓信號(hào)（-10V“+10V）。而伺服電機(jī)增量式光電編碼器的反應(yīng)經(jīng)差分電路濾波并合成單端信號(hào)接入到LM628中，以構(gòu)成位置閉環(huán)控制。 2.1PCI總線接口 PCI總線是一種高性能、32位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)132MB/s。目前實(shí)現(xiàn)PCI接口的有效方案有使用可編程邏輯器件和使用專用接口芯片兩種。前者實(shí)現(xiàn)PCI接口比較靈活，但是設(shè)計(jì)難度很高。后者雖沒(méi)有前者那么靈活，但其優(yōu)越性非常明顯：能夠有效降低接口設(shè)計(jì)的難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)其還具有較低的成本和通用性，并能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間等。這里采用PCI9052實(shí)現(xiàn)PCI總線接口，并選用EEPROM93LC

5、46B對(duì)其開(kāi)展配置，電路框圖如圖2所示。中斷信號(hào)這里只用到一條中斷線INTA#。 2.2局部總線接口 為了滿足DSP與上位機(jī)之間大量數(shù)據(jù)的高速交換，這里采用主從式共享雙口RAM的通信方案，接口電路如圖3所示。由于IDT7133是2K16位的SRAM，因此將PCI9052的局部總線設(shè)置為16位寬的數(shù)據(jù)總線，即將LBE1#單獨(dú)接到IDT7133的A0L端。BUSYL經(jīng)非門接到PCI9052的LRDYi#端，這是因?yàn)楫?dāng)BUSYL為高時(shí)才允許外部設(shè)備訪問(wèn)，而局部總線準(zhǔn)備好信號(hào)LRDYi#為低電平有效。BUSYR經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接接到TMS320F2812的READY端。當(dāng)BUSYL或BUSYR任何一個(gè)引

6、腳被置低，其所屬設(shè)備就等待一個(gè)訪問(wèn)周期，直到BUSY被拉高，即雙口RAM不再忙，這樣便保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。因此，采用雙口RAM通信不但簡(jiǎn)化了接口電路的設(shè)計(jì)，而且提高了上下位機(jī)數(shù)據(jù)交換的速度。 2.3LM628伺服控制單元 控制卡共有3路輸出，其中一路如圖4中虛線框（1）所示，其余兩路與此類似。XD0”XD7為DSP的低八位數(shù)據(jù)線，LM628所需的32位數(shù)據(jù)由其經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)芯片SN74LVC4245分四個(gè)寫周期寫入。DSP經(jīng)CS-1選通LM628后，再結(jié)合XA0就可實(shí)現(xiàn)對(duì)其讀寫。為了提高控制 ，這里采用12位輸出模式，即在每一個(gè)采樣周期，LM628的18“23腳輸出兩個(gè)周期，前一個(gè)輸出

7、低6位數(shù)據(jù)，后一個(gè)輸出高6位數(shù)據(jù)。為了讓12位數(shù)據(jù)能同時(shí)輸入到后續(xù)的DAC芯片中，這里采用了一片6位數(shù)據(jù)鎖存器74LS378。當(dāng)LM628輸出低6位時(shí)，DA0是輸入觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，DA1是觸發(fā)器的允許信號(hào)，此時(shí)，鎖存器的G端為高，數(shù)據(jù)鎖存，接著LM628輸出高6位數(shù)據(jù)，此時(shí)DA0是給DAC芯片的寫信號(hào)，DA1是片選信號(hào)，鎖存器的G端為低，數(shù)據(jù)不鎖存。這樣便從8位輸出合成了12位的DAC輸入信號(hào)DAC0”DAC11。 2.4數(shù)/模轉(zhuǎn)換和放大電路 如圖4中虛線框（2）所示，DAC參考電壓Vref由Maxim公司的MAX680提供，而LM358的12V電源則可直接從PCI插槽獲得。LM628輸出的

8、12位數(shù)字量經(jīng)AD7545A轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，再由LM358兩級(jí)運(yùn)算放大成10V“10V電壓信號(hào)送往交流伺服驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電阻R26和R27用來(lái)調(diào)整滿刻度輸出電壓和抑制零點(diǎn)漂移，電容C38則用來(lái)加快DAC變換速度和對(duì)其輸出開(kāi)展頻率補(bǔ)償。 終輸出電壓Vout1可由式（1）計(jì)算得出： o4YBAF_S1xeARXsLAABxTxQH3U4977.png 2.5差分電路 在噪聲比較大的環(huán)境中，為了解決干擾和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐?wèn)題，通常采用差動(dòng)信號(hào)傳輸，如圖4中虛線框（3）所示。為了進(jìn)一步消除干擾，在每個(gè)輸入端都接入一個(gè)濾波電容，同時(shí)在每一對(duì)差動(dòng)信號(hào)輸入線之間接一個(gè)用于線路阻抗匹配的電阻。差動(dòng)

9、信號(hào)（IN、IN、A、A、B、B）經(jīng)差動(dòng)線路接收器SN75175和高速光電耦合器6N137轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)（IN、A、B）輸入到LM628中，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 2.6譯碼電路 如圖4中虛線框（4）所示，采用一片3/8譯碼器74LS138對(duì)地址譯碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制卡3路伺服單元的片選，而XA0則專門用于對(duì)LM628開(kāi)展讀寫控制，這樣得出的地址信號(hào)是連續(xù)的（0XF60”0XF65）。另外，采用一片四位二進(jìn)制碼比較器74LS85實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)雙口RAM的讀寫片選。片選地址信號(hào)范圍為0“7FF，這剛好尋址雙口RAM2K范圍內(nèi)的所有空間。 此外，由于TMS320F2812要從雙口RAM讀出大量的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)并存

10、儲(chǔ)，而其片內(nèi)只有18KB的空間，遠(yuǎn)不能滿足要求，同時(shí)為了方便程序調(diào)試和修改，均需要DSP擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器。這里選用CYPRESS公司的256K16位的SRAMCY7C1041CV33，其讀寫周期時(shí)鐘 快可達(dá)12ns，因此可與DSP開(kāi)展零等待狀態(tài)接口，保證了DSP的運(yùn)算速度。 3運(yùn)動(dòng)控制卡的配置 配置空間是PCI總線所特有的一個(gè)空間，其通常與接口芯片相關(guān)，包括一系列的PCI配置存放器。PCI9052的配置存放器分為PCI配置存放器和局部配置存放器，兩者都可以由PCI總線和串行EEPROM訪問(wèn)。 3.1PCI配置存放器及其配置 在PCI配置存放器中的設(shè)備ID、制造商ID、版本號(hào)、首區(qū)類代碼、類別代碼

11、、指令存放器和狀態(tài)存放器等在所有的PCI設(shè)備中都必須實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)通常使用其內(nèi)容來(lái)決定為該P(yáng)CI設(shè)備加載驅(qū)動(dòng)程序。此外，PCI配置存放器還提供6個(gè)基地址存放器，其中BASE0和BASE1是分別映射到內(nèi)存和I/O的基地址，可固定用于對(duì)PCI9052的存放器操作。而B(niǎo)ASE2”BASE5 多可訪問(wèn)局部端所接的4個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其局部地址空間的訪問(wèn)。PCI總線對(duì)局部端設(shè)備的局部地址映射是通過(guò)1個(gè)存放器組（包括PCI基地址存放器、局部范圍存放器、局部基地址存放器和局部總線區(qū)域描述符）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它定義了每個(gè)空間及其特性，并將局部端設(shè)備通過(guò)局部端地址翻譯為PCI總線地址，即將本地設(shè)備映射到系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O端

12、口。而片選信號(hào)存放器則用來(lái)選定這些設(shè)備。這樣，用程序操作這一段內(nèi)存（或I/O）實(shí)際上就是對(duì)本地設(shè)備的操作。這些存放器的內(nèi)容必須在設(shè)備復(fù)位時(shí)通過(guò)串行EEPROM加載。 3.2局部配置存放器及其配置 在這里，選取LAS0（LocalAddressSpace0）訪問(wèn)局部端雙口RAM，與其相關(guān)的存放器為L(zhǎng)AS0范圍存放器、LAS0局部基地址存放器、LAS0局部總線區(qū)域描述符和片選0基地址存放器。LAS0范圍存放器用于定義板卡上資源所占地址空間的大小。由于板卡需要2KB的內(nèi)存空間，而計(jì)算機(jī)預(yù)留了32KB空間（即8000H），因此寫入存放器的值為0 xFFFF8000H；LAS0局部基地址存放器用來(lái)定義板

13、卡資源所占的基地址，它將其重新映射到PCI地址空間中，以使PC機(jī)能對(duì)板卡開(kāi)展訪問(wèn)。由于基地址必須是地址空間范圍的整數(shù)倍，又因局部地址空間位0為使能位，因此，寫入存放器的值為00008001H；LAS0局部總線區(qū)域描述符用來(lái)定義地址空間0的具體工作特性。由于板卡數(shù)據(jù)總線采用16位，工作方式定義為不使能突發(fā)和不可預(yù)取，因此寫入存放器的值為4043A1C0H；片選0基地址存放器用來(lái)確定片選信號(hào)有效的地址范圍，其既確定了片選信號(hào)的基地址又確定了片選信號(hào)的地址范圍。 這里控制卡采用PCI9052的CS0#作為雙口RAM的片選信號(hào)，則其起始地址和地址范圍都可由片選0基地址存放器設(shè)置。由于雙口RAM容量為2

14、KB，因此設(shè)置CS0#基地址存放器的第11位為1，又局部總線端空間0的基地址是0 x00008000H，為方便尋址，將CS0#的基地址和局部總線端空間0的基地址設(shè)為同一值。由于基地址（8000H）是CS0#地址范圍的16倍，所以將CS0#基地址存放器的第16位設(shè)為1，再將位0設(shè)為1使能，這樣寫入片選0基地址存放器的值為0 x00008401H。當(dāng)PC機(jī)尋址時(shí)，地址映射到局部總線端的空間0，從其基地址開(kāi)始的2K空間落在CS0#基地址存放器所設(shè)置的范圍內(nèi)，CS0#端則有效，可對(duì)雙口RAM各單元開(kāi)展讀寫，這樣就不必根據(jù)地址譯碼得到片選邏輯，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。此外，PCI9052提供兩種中斷源，即硬件和軟件中斷。這里板卡使用其提供的2個(gè)局部中斷中的一個(gè)，即LINTI1引腳，通過(guò)設(shè)置中斷控制/狀態(tài)存放器（INTCSR）實(shí)現(xiàn)，并生成PCI中斷INTA#方式。 4驅(qū)