嵌入式DSP運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)

運(yùn)動(dòng)控制器就是控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式：比如電動(dòng)機(jī)在由行程開關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停。運(yùn)動(dòng)控制（MC）是自動(dòng)化的一個(gè)分支，它使用通稱為伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)備如液壓泵，線性執(zhí)行機(jī)或者是電機(jī)來控制機(jī)器的位置和/或速度。運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用要比在專用機(jī)器中的應(yīng)用更復(fù)雜，因?yàn)楹笳哌\(yùn)動(dòng)形式更簡單，通常被稱為通用運(yùn)動(dòng)控制（GMC）。運(yùn)動(dòng)控制被廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、DSP外圍電路、脈沖輸出電路、編碼器信號(hào)采集和處理電路、D／A輸出電路和DSP-PC機(jī)通信電路等。核心微處理器采用美國TI公司的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320LF2407A。一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)（期望輸出）和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個(gè)速度環(huán)。 一個(gè)驅(qū)動(dòng)或放大器用以將來自運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)（通常是速度或扭矩信號(hào)）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。 一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)。 一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。 眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。 通常，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制 點(diǎn)位控制（點(diǎn)到點(diǎn)）。有很多方法可以計(jì)算出一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，它們通?；谝粋€(gè)運(yùn)動(dòng)的速度曲線如三角速度曲線，梯形速度曲線或者S型速度曲線。 電子齒輪（或電子凸輪）。也就是從動(dòng)軸的位置在機(jī)械上跟隨一個(gè)主動(dòng)軸的位置變化。一個(gè)簡單的例子是，一個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，它們按照一個(gè)給定的相對角度關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)。電子凸輪較之電子齒輪更復(fù)雜一些，它使得主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的隨動(dòng)關(guān)系曲線是一個(gè)函數(shù)。這個(gè)曲線可以是非線性的，但必須是一個(gè)函數(shù)關(guān)系。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)由上位機(jī)通過雙端口RAM把運(yùn)動(dòng)控制指令或控制參數(shù)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器的DSP，DSP根據(jù)采集到的PC機(jī)指令，通過位置控制和速度控制算法進(jìn)行計(jì)算。然后將計(jì)算出的脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2 系統(tǒng)的硬件電路描述

系統(tǒng)硬件電路主要包括電源轉(zhuǎn)換模塊、DSP及外圍電路、擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路、脈沖輸出電路、編碼器信號(hào)采集和處理電路、D／A輸出電路和DSP-PC機(jī)通信電路等?？刂破靼蹇ㄊ褂肁ltera公司的可編程邏輯器件MAXⅡEPM570實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)，降低了板卡的設(shè)計(jì)尺寸，增加了板卡的可靠性和設(shè)計(jì)靈活性，它的在線編程特性可使得數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)，如同軟件設(shè)計(jì)一樣簡便。

2.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

TMS320LF240A是低功耗芯片，采用3.3 V供電，本設(shè)計(jì)采用Bay Linear Inc公司生產(chǎn)的電源轉(zhuǎn)換芯片B1117提供。

2.2 DSP接口電路

2.2.1 時(shí)鐘信號(hào)

選擇16MHz的有源晶振作為外部時(shí)鐘信號(hào)源，從DSP的XTAL1／CLXIN腳輸入，經(jīng)PLL1和PLL2倍頻成32 MHz信號(hào)，供DSP使用。因而TMS320LF2407A的速度可達(dá)到3 1 ns，管腳XTAL2懸空。同時(shí)，16 MHz的有源晶振也是CPLD器件MAXⅡ570的外部時(shí)鐘信號(hào)源。

2.2.2 串行EEPROM接口電路

TMS320LF2407A引導(dǎo)ROM為用戶提供兩種選擇：同步傳輸通過串行外設(shè)接口（SPI）實(shí)現(xiàn)；異步傳輸通過串行通信接口（SCI）來實(shí)現(xiàn)。程序代碼可以加載到用戶指定的位置。為了有效的引導(dǎo)ROM和加載，本設(shè)計(jì)將MP／MC#引腳拉低，從而使DSP工作于微控制器模式。

2.2.3 擴(kuò)展RAM電路

TMS320LF2407A有1.5 kB的數(shù)據(jù)／程序RAM，544 bit雙口RAM（DARAM）和2 kB的單口RAM（SARAM），但是考慮到所需的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間較大，在DSP外部用一片CY62136V作為外存儲(chǔ)器，該芯片是128 kB×16 bit的存儲(chǔ)器，其中64 kB作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其余64 kB作為程序存儲(chǔ)器空間。

2.2.4 外部I／O信號(hào)處理

通過管腳引入的硬件中斷，包括軸限位中斷和編碼器INDEX信號(hào)中斷。8個(gè)限位中斷信號(hào)通過光耦隔離后接入CPLD，經(jīng)CPLD相與后接入DSP中斷管腳XINT1，同時(shí)這些信號(hào)與DSP的I／O口相連。當(dāng)某一軸運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)處時(shí)，就會(huì)觸發(fā)DSP的外部中斷信號(hào)XINT1，然后DSP就可以判定哪個(gè)限位開關(guān)已經(jīng)到位。光耦器件選用Toshiba公司的貼片光耦TLP121，它的平均輸入驅(qū)動(dòng)電流為50 mA，平均輸出驅(qū)動(dòng)電流為5 mA，可直接驅(qū)動(dòng)TTL電路。

2.3 脈沖輸出電路

每一軸的兩個(gè)信號(hào)輸出口PLUSE+和PLUSE-可用來輸出脈沖和方向信號(hào)，這兩個(gè)輸出口可以由程序設(shè)定為CW／CCW雙脈沖模式或脈沖方向輸出模式，用戶可以設(shè)定J4～J11跳線來設(shè)定脈沖為差分輸出或者單端輸出兩種方式。

2.4 D／A轉(zhuǎn)換輸出電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的核心芯片采用BB公司生產(chǎn)的12位4路電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7625。DAC的片選信號(hào)由DSP的DS，PS，IS，STRB，R／W#，WE#，A0，A1，A2，A3，A11經(jīng)過譯碼得到。DAC的4個(gè)通道在DSP中的I／O地址為：0000 H，0001 H，0002 H，0003 H，DAC傳送寄存器地址為0004 H。

2.5 編碼器電路

該編碼器信號(hào)處理電路是針對增量式脈沖編碼器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理。為消除外部驅(qū)動(dòng)器大電源的干擾，3對信號(hào)經(jīng)過光耦進(jìn)行隔離。利用DSP事件管理器中的正交編碼脈沖（QEP）電路，對引腳上的脈沖數(shù)目和頻率分別解碼和計(jì)數(shù)

2.6 DSP-PC機(jī)通信電路

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CPLD還能夠產(chǎn)生RTL8019AS的控制邏輯信號(hào)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)及流程

整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序主要包括EEPROM引導(dǎo)程序和DSP主程序兩部分。其中，F(xiàn)lash引導(dǎo)程序的作用是把系統(tǒng)程序從片外低速EEPROM傳送到片外高速RAM中運(yùn)行，在運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件調(diào)試階段，程序規(guī)模比較小，程序可以存放在片內(nèi)的。Flash中，這樣則不需要引導(dǎo)程序，直接在片內(nèi)運(yùn)行程序。系統(tǒng)程序主要由主程序、讀寫雙口RAM程序、脈沖輸出程序、插補(bǔ)程序和加減速控制程序組成。主程序調(diào)用各子程序，進(jìn)行與上位機(jī)的通信、I／O、QEP、定時(shí)器及中間寄存器的初始化、設(shè)置中斷標(biāo)志、讀取計(jì)數(shù)器的值、計(jì)算各控制量、積分平滑等功能。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，調(diào)用相應(yīng)中斷程序，并修改或重置標(biāo)志位。

圖2所示為DSP主程序的流程圖。主CPU使用硬件復(fù)位控制DSP的復(fù)位操作，DSP復(fù)位后運(yùn)行片內(nèi)ROM或加載到RAM中的系統(tǒng)主程序。DSP主程序由初始化程序、時(shí)鐘循環(huán)等待中斷程序組成。初始化程序完成所有變量的初始化，復(fù)位全部外設(shè)和關(guān)閉所有輸出。之后進(jìn)入循環(huán)和等待中斷的過程，檢測到主機(jī)命令之后，讀取命令并根據(jù)系統(tǒng)需要調(diào)用相應(yīng)的處理程序。命令處理完后再進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，命令處理程序是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器功能的關(guān)鍵程序，包括運(yùn)動(dòng)控制的算法，速度控制、位置控制等功能的實(shí)現(xiàn)，還包括完成數(shù)據(jù)寫入和讀取等功能，同時(shí)對外部中斷進(jìn)行處理。當(dāng)上位機(jī)給運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送控制命令時(shí)，DSP首先讀取主機(jī)發(fā)送來的軸的目標(biāo)位置，根據(jù)速度控制的模式設(shè)定指令選擇相應(yīng)的速度控制算法，同時(shí)查詢外部事件，如有事件發(fā)生，執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。接著就可以送出軸的控制輸出，檢測各軸是否都完成運(yùn)動(dòng)（判斷軸狀態(tài)寄存器完成標(biāo)志位），完成則推出命令處理程序，否則繼續(xù)執(zhí)行。

4 結(jié)束語

運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)需要注意：如抗干擾、外圍電路的速度與DSP的實(shí)時(shí)性能匹配問題。這些問題相互影響，要確定一個(gè)正確的電路結(jié)構(gòu)和合理的PCB布線，需要大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，因此在電路結(jié)構(gòu)方面仍有待改進(jìn)，使之更適應(yīng)穩(wěn)定、高速的控制要求。對控制軟件的改進(jìn)主要包括以下兩方面：

（1）完成上位機(jī)上接口函數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫和上層調(diào)試環(huán)境的設(shè)計(jì)、編寫NURBS數(shù)學(xué)處理程序，在運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同的插補(bǔ)算法，建立運(yùn)動(dòng)控制器的操作平臺(tái)和完善的人機(jī)交互功能，使得運(yùn)動(dòng)控制器具有更強(qiáng)大的控制性能和更容易編程；

（2）對伺服電機(jī)的控制只提供了硬件上的支持，在軟件上需要對光電編碼器的反饋信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出與給定位置的誤差，再通過軟件PID算法調(diào)節(jié)器獲得位置控制量來控制伺服系統(tǒng)。