基于DSP和CPLD的运动控制卡设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文基于DSP和CPLD的运动控制卡设计与实现姓名：胡吉柱申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：刘宏2011-01-17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I摘摘 要要 开放式体系结构的数控系统已成为当今数控技术发展的主要研究方向之一，其中，“计算机+运动控制卡”的模式已成为开放式数控技术发展的主流方向。在该模式中，运动控制卡的性能优劣成为影响数控系统整体性能的关键因素。在分析与总结了当前国内外相关研究成果的基础上，针对运动控制卡的设计问题，提出一种基于数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）联合控制技术的运动控制卡解决方案。在该解决方案中，运动控制卡采用 PCI 总线协议与计算机通信，实现了复杂轨迹运动的实时控制功能。在关键技术上，引入 PCI 总线控制器于 CPLD 片上集成技术，提高了频繁插拔型 PCI 总线设备的可靠性和安全性；研发了匀速输出状态可控 FIFO（First Input First Output,先入先出）的“漏水算法”，为用户端提供了更高效实用的 API（Application Programming Interface，应用程序编程接口），使终端用户开发应用产品更加便捷高效，同时，保证了下层硬件输出控制的实时性与稳定性；采用 DSP 与 CPLD 复用 RAM 技术实现数据交互，极大的提高了带宽利用率；在高性能 DSP 上引入插补算法，实现了复杂轨迹坐标点的插补运算功能，使运动控制卡具备复杂轨迹控制信号的实时输出能力。实验表明，基于 DSP 和 CPLD 的运动控制卡方案实现了高速、精确、实时、稳定的复杂轨迹运动控制，且接口广泛支持市面上多种类型的主流数控机构，是一款低成本、高性能及多功能的运动控制解决方案。关键词：关键词：数控系统，嵌入式系统，运动控制，数字信号处理器，复杂可编程逻辑器件 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IIAbstract Open architecture CNC(computer numerical control)has become the popular trend of CNC technology,and the mode of industrial computer with motion control card is the mainstream of the development of open CNC technology.In this mode,the performance of motion control card acts as one key factor to decide system performance.After analyzing and summarizing the current status of related research both at home and abroad,a motion control card was designed,which is based on DSP(Digital Signal Processor)and CPLD(Complex Programmable Logic Device)joint control technology,using PCI bus to communicate with industry PC.It achieved real-time complex trajectory control.The integration technology of introducing PCI bus controller in the CPLD chip improved the reliability and security of frequently plugging PCI device.And we developed a leakage algorithm which controls FIFO in the condition of different read and write rates,it not only supplies more efficient and practical API interface,but also makes end users more convenient and efficient to develop applications,and ensured real-time and stability of the hardware output.The sharing of SRAM between DSP and CPLD for data interaction,greatly improved the bandwidth utilization.The introduction of the interpolation algorithm on high-performance DSP realized the complex coordinates computations of the interpolation trajectory.DSP make the motion control card gain the ability of real-time complex trajectory control.Experimental results show that this motion control card based on DSP and CPLD can achieve high-speed,accurate,real-time and stable control of complex trajectory and its interface can support many types of CNC institutions in the market.So,this card is a solution of low cost,high performance and multi-purpose.Keywords:Computer Numerical Control,Embedded System,Motion Control,DSP,CPLD 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 本论文属于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 绪绪 论论 本章重点阐述“基于 DSP 和 CPLD 的运动控制卡设计”这一研究课题的诞生意义与相关背景，并将针对性的提出该运动控制卡的应用对象及设计要求。1.1 课题背景及意义课题背景及意义 传统产业受高新技术的推动，发生了深刻的变革。机械工业作为传统产业之一，受技术革命的冲击，产品结构和生产系统结构都发生了很大变化，通过采用微电子技术与微计算机技术，信息和智能与机械装置和动力设备结合，机械工业开始了一场大规模的机电一体化革命1。随着计算机、传感器和电子电力等技术的发展，各个先进国家的机电一体化产品层出不穷。激光打标机、数控机床、数控医疗设备、印刷机械及智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展2。机电一体化技术在提高工作效率、改善生活质量、降低能源与材料损耗、增强企业核心竞争力等方面起着极大的作用。随着机电一体化技术的发展，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到迅速的发展，各厂家不断推出运动控制技术的新产品3。运动控制卡能对各类采用模拟信号、数字信号、脉冲信号等信号控制的机电一体化设备进行高速精确实时的运动控制，它作为一款运动控制领域的关键产品，其执行速度、定位精度与稳定性将成为影响各机电一体化设备实际工作效能的决定性因素4。本文提出一种基于数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)联合控制技术的高速运动控制卡，其当前应用针对振镜式激光打标机的定位控制，并为今后开发实用的、高精度的、低成本的医疗诊断设备控制器奠定基础。基于 DSP 和 CPLD 的运动控制卡的硬件接口和逻辑电路通过对 CPLD 芯片编程来实现，而运动控制算法通过在 DSP上编程来实现，该方案相比传统的采用单片机作为控制核心的运动控制卡而言，不仅克服了单片机运算速度慢、易受电磁干扰等缺点，还在灵活性和移植性等方面得到了很大的提高。本课题受到国家自然科学基金“基本四元数的彩色图像边缘检测和分割方法研 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2究”（项目编号：60972098）的支持。1.2 运动控制技术研究概况运动控制技术研究概况 运动控制技术起源于早期的伺服控制技术，即对机械运动部件的位置、速度等参数进行实时控制，使其按照预定的运动轨迹和参数进行相应的运动。早期的运动控制技术的发展伴随着数控技术、工厂自动化技术和机器人技术的发展，往往无需另外的处理器和操作系统支持，能够独立运行。这类控制器主要针对专门应用而设计，用户往往只需编写相应的代码文件到控制器中，控制器即可完成相关的动作。但是这类控制器开放性不佳，难以根据用户要求的改变而重组系统。因此通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。1.2.1 国外的应用与发展国外的应用与发展 国外对运动控制技术的研究起步较早，技术成熟，尤其以美国最具代表性。美国空军在 1987 年由美国政府资助，发表了著名的“下一代控制器（Next Generation Controller,NGC）研究计划”5，其中的一项重要内容就是提出了“开放系统体系结构标准规格（Open System Architecture for Controls within Automation System,OSACA）”6。从 1996 年开始，美国几个大的科研机构分别对下一代控制器计划发表了相应的研究内容7，例如，美国国际标准研究院在美国海军支持下提出了“增强型机床控制器（Enhanced Machine Controller,EMC）”；由美国通用、克莱斯勒和福特三大汽车公司联合研制了“开放式、模块化体系结构控制器（Open and Modular Architecture Controller,OMAC）”8，它的目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性和敏捷度。下一代控制器计划启动后不久便公布了一个名为“开放式、模块化体系结构控制器应用程序接口（Open and Modular Architecture Controller Application Programming Interface,OMAC APT）”的规范，并促成了一系列相关研究项目的启动与运行9。20 世纪 90 年代，受市场需求的推动，许多发达国家的通用运动控制技术发展迅速，应用广泛。通用运动控制技术的不断进步和完善，近年已经被越来越多的产业领域接受，市场规模不断扩大。ARC 顾问集团的一份研究显示，世界通用运动控制市场已经超过 40 亿美元，并且很有可能在未来 5 年内综合增长率达到 6.310。目前国际上主流运动控制器可以根据结构分为三大类11。华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 基于计算机标准总线的运动控制器。这种运动控制器是将各类开放体系的独立运动控制器和与计算机相结合，多采用计算机 CPU 或 DSP 作为处理器，它能独立的完成实时插补、伺服滤波控制、伺服驱动、统一外部 I/O 等功能，借助于计算机操作系统及其开放的函数库，设计者可依据不同需求设计成相应的各种控制系统。目前市场上的主流产品就是这种运动控制器。软件型开放式运动控制器。其硬件部分较为简洁，仅提供计算机与伺服驱动及外部 I/O 间接口统一的功能，而其运动控制功能则全部交由计算机上的软件完成。该类运动控制器成本低廉，能够为开发商提供一个更加灵活的开发平台。用户可以根据自身需求，在操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核开发出各类高性能运动控制系统。基于软件型开放式运动控制器开发的典型产品有美国 Soft SERVO 公司的基于网络的运动控制器、德国 PA（Power Automation）公司的 PA8000NT 和美国 MDSI 公司的 Open CNC 等12。嵌入式运动控制器。该运动控制器实质上是基于计算机标准总线的运动控制器的一个变种。这种产品采用了采用针式连接器来连接标准总线的计算机模块，针式连接器是一种更加可靠的总线连接方式，因此更加适合工业应用。在实际应用中，采用如工业以太网、RS485、PROFIBUS（Process Field Bus）等现场网络通信接口联来连接上级计算机或控制面板。这种运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过互联网进行远程诊断，例如美国 ADEPT 公司的 SmartController 产品是该类控制器的代表性产品4,10。1.2.2 国内的应用与发展国内的应用与发展 国内对该领域的研究起步相对较晚，但随着国力的增强，技术的进步，我国的运动控制技术与发达国家相比，差距也正在慢慢缩小。目前国内已经涌现出众多开发生产运动控制器的厂家，如固高科技(深圳)有限公司、研华自动化公司、成都步进机电公司、摩信公司以及深圳雷赛公司等。而其中的固高科技(深圳)有限公司，是国内最早研发开放式运动控制器产品的专业公司，目前已推出一系列的运动控制器，如基于计算机标准总线运动控制器 GT 系列，基于软件型开放式运动控制器 GO 系列和嵌入式结构的运动控制器 GU 系列等，该公司代表了国内运动控制技术的最高水平13。但整体上看，国内在完善智能控制系统以及与之配套的底层软件方面，现阶段 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4还处于相对封闭的阶段，灵活性还不够。用户在使用产品时，常常需要对许多硬件接口程序和各种运动控制功能进行重复性的开发和实现，很难在短时间内通过二次开发或重新组合来满足自身的需求，降低了工作效率。目前，国内主流的运动控制器主要可以分为三类。以微处理器或单片机作为核心的运动控制器。这类运动控制器的缺点是速度较慢且精度不高，它的优点是成本相对较低。专用芯片作核心处理器的运动控制器。这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，采用开环控制方式。因此对单轴的点位控制场合下，这类控制器是基本可以满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器难以满足要求。基于 PC 总线的以 DSP 和可编程逻辑阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）/CPLD 作为核心处理器的开放式运动控制器。其采用“PC+运动控制器”的模式，充分利用了 DSP 对数据的高速运算功能，并结合 FPGA/CPLD 的超强逻辑处理能力。它的优点是信息处理能力强、运动轨迹控制准确、开放程度高、通用性好等。第一类运动控制器由于其性能的限制，在市场上所占份额较少，主要应用于一些单轴简单运动的场合。第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额。第三类运动控制器是目前国内运动控制器产品的主流14。1.3 课题研究目的及需求分析课题研究目的及需求分析 由于常规的基于单片机控制方案的运动控制卡在运算能力、响应速度及接口兼容性方面存在诸多不足，故该研究的目的在于设计一套基于 DSP 加 FPGA/CPLD 联合控制技术的运动控制卡，从而实现高速率、高精度的复杂轨迹运动的实时控制功能，同时在硬件资源及逻辑功能上提供多种对象类型的接口支持。通过对国内市场上各主流控制对象的控制方式进行调查研究，对采用各类方案实现的运动控制卡的市场性价比进行调研，对相关器件的成本与性能进行评估，综合分析后得出本次研究的总体设计需求如下。1.3.1 支持支持 32 位位 PCI 总线协议总线协议 运动控制卡需支持 32 位 33MHz 从模式及 32 位 66MHz 从模式的 PCI 总线协议，华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5从而满足运动控制卡与计算机之间的高速数据交换要求。在基于 PCI 总线协议的“计算机+运动控制卡”模式中，计算机为主设备，运动控制卡为从设备，运动控制卡需具备被主设备访问以及对主设备指令进行响应的能力，从而实现计算机对运动控制卡的全局过程控制15。1.3.2 快速的并行浮点运算能力快速的并行浮点运算能力 为实现高速复杂轨迹运动的实时坐标运算，运动控制卡需具备快速的并行浮点运算能力。由于计算机与运动控制卡之间的数据传输存在延时，同时计算机应用程序无法满足精确定时控制要求，因此，在面对复杂轨迹的大量坐标数据运算问题时，单纯依靠计算机程序将无法满足运动控制的实时性与精确性要求。故运动控制卡需对从计算机获取的低密度坐标数据进行快速插补运算，实时生成高密度的坐标数据，从而实现高速率、高精度的复杂轨迹运动的实时控制功能。1.3.3 高速大容量存储器高速大容量存储器 在对高速复杂轨迹进行坐标插补运算时，短时间内将产生大量中间数据，故运动控制卡需引入高速大容量存储器来支持大量数据的实时缓存。存储器需具备简洁高速的读写接口，能够被 DSP 处理器及 CPLD 高速稳定的访问，需具有大容量的存储空间，用以存放大量的运算数据。1.3.4 充足的充足的 I/O 接口及可靠的接口及可靠的 I/O 兼容性兼容性 大型电气设备，如医疗运动床、激光标刻机，都涉及大量的开关信号（只有低电平、高电平两种状态的信号），如电源信号、指示灯信号、工作状态信号等，故运动控制卡必须拥有充足数量的 I/O 接口，来满足大量输入输出开关信号的接入。而不同设备通常具有不同的 I/O 接口标准及接口要求，如电平标准、负载能力、驱动能力等，故运动控制卡需具备可靠的 I/O 兼容能力，来满足不同 I/O 接口标准的要求。1.3.5 多路模拟信号输出多路模拟信号输出 在面向参数连续变化型控制对象时，需使用模拟信号进行控制，譬如伺服电机、功率可控电源等。其中，伺服电机转动角度、电源输出功率等参数皆为连续变化量，它们通常使用具备连续变化特性的模拟信号来控制。故运动控制卡需具备多路模拟信号输出能力，以满足多路模拟信号控制对象的控制要求。然而计算机、DSP 处理 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6器以及 CPLD 等设备在高速的通信、运算和输出行为中皆使用数字信号，因此，为实现模拟信号输出，则运动控制卡需具备数字信号到模拟信号（Digital to Analog,DA）的转换功能。在 DA 转换过程中，输入数字信号的位宽决定了输出模拟信号的精度，因此，为满足不同控制精度要求的被控对象，同时合理地控制硬件成本，则运动控制卡需具备不同精度的 DA 转换电路。1.3.6 两组差分信号输出两组差分信号输出 部分控制对象要求使用差分信号进行控制，如步进电机。为满足此类设备的控制要求，运动控制卡需具备差分信号输出能力。因此需设计一套差分信号输出电路，且具备两组差分信号输出的能力。1.3.7 两路两路 PWM 信号输出信号输出 部分控制对象要求使用脉宽调试（Pulse Width Modulation,PWM）信号进行控制，如 PWM 控制型伺服电机。为满足此类设备的控制要求，运动控制卡需具备 PWM 信号输出能力16。因此需设计一套 PWM 信号输出电路，且具备两路 PWM 信号输出的能力。1.4 本文主要内容本文主要内容 本文在对当前各主流运动控制卡方案进行研究，分析比较了各方案优劣及市场价值之后，确定了“基于 DSP 和 CPLD 联合控制技术”的总体设计方案，并基于此设计方案提出了若干关键技术与算法，其中的主要技术方案得以实现，经实际测试验证无误，其余技术方案及算法思想通过设计与分析，可行性得到验证，可在后续工作中实现。本文内容共分六个章节，其主要内容如下。第 1 章：介绍了“基于 DSP 和 CPLD 的运动控制卡设计”这一研究课题的诞生意义与相关背景，提出了运动控制卡的总体设计需求，最后对本文所做的工作进行了归纳。第 2 章：对运动控制卡硬件系统进行了总体设计，就通信接口、控制核心、输入输出驱动电路等三大方案进行了详细设计与描述，并对通信接口标准、驱动电路兼容性、内部总线带宽、信号建立时间与时间间隔精度等各项性能指标进行了分析与设定。华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7第 3 章：对运动控制卡中的 DSP 处理器、CPLD 和 RAM 存储器三大核心器件进行芯片选型，并针对 PCI 接口、电源、地址与数据总线、DA 转换、I/O 控制与隔离、差分信号输出等六大模块进行了详细电路设计。第 4 章：围绕 CPLD 内部模块设计中的 PCI 总线控制器模块、内部总线控制器模块、匀速 DA 输出控制模块，以及 DSP 程序设计中的高速插补运算等四大核心功能进行了详细的设计与描述。第 5 章：对运动控制卡的主要功能模块进行测试，并依照测试结论进行分析与优化。第 6 章：对“基于 DSP 和 CPLD 的运动控制卡的设计与实现”工作进行总结和展望。华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 82 运动控制卡总体方案设计运动控制卡总体方案设计 本章针对运动控制卡的设计需求进行总体方案设计，方案设计内容包括运动控制卡的硬件实体部分以及性能指标部分。2.1 运动控制卡硬件系统方案设计运动控制卡硬件系统方案设计 运动控制卡的硬件系统是基于 DSP 加 CPLD 联合控制技术，并采用 PCI 总线协议与计算机通信，其方案设计如图 2.1 所示。图 2.1 运动控制卡硬件系统设计图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 92.1.1 通信接口通信接口 传统的运动控制卡普遍采用 ISA 协议，由于该协议是 8/16bit 位总线结构，不能满足高速数据交换的要求。本方案采用更先进的 PCI 协议实现总线控制。PCI 是由英特尔（Intel）公司 1991 年推出的用于定义局部总线的标准。随着 PCI规格的不断提升，其拥有多种频率及带宽标准，其中较广泛采用的是 32 位、33MHz或 32 位、66MHz 模式，其总线带宽分别为 133MB/s 和 266MB/s17。为实现运动控制卡对 PCI 总线协议的支持，需要专用的 PCI 总线控制器。PCI总线控制器主要负责 PCI 总线与嵌入式系统内部总线间的转换工作，其功能如图 2.2所示。图 2.2 PCI 总线控制器功能示意图 目前应用于运动控制卡领域的主流 PCI 总线控制器方案主要有两种18-19，一种是采用专用的 PCI 总线控制器芯片；另一种是采用 FPGA、CPLD 等可编程逻辑器件来片上集成 PCI 总线控制器模块的方案。其中，专用 PCI 总线控制器芯片简单易用，可大大的降低开发难度，但需额外的芯片成本；FPGA/CPLD 片上集成方案开发难度较大，但节省了专用芯片的成本及其在控制卡上所占据的面积，并且在实际对比测试中发现，片上集成 PCI 总线控制器对电路板布线设计要求更低，板卡稳定性更好。本系统采用 CPLD 片上集成 PCI 总线控制器的方案，可大大提升系统稳定性，并有效降低运动控制卡的总体成本，与此同时，由于 CPLD 中其它模块与 PCI 总线控制器间通过 CPLD 内部的可编程逻辑相连，故其具备可修改能力，在设计中拥有更大的灵活性。2.1.2 控制核心控制核心 在运动控制卡中，DSP 作为控制核心，通过控制及数据总线（包含 8 位控制线、19 位地址线及 16 位数据线）对 CPLD 及 RAM 进行管理与调度。DSP 通过访问 CPLD 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10内部总线控制器模块的方式，能够实现三大功能：1.可以查询或修改 CPLD 内部相关模块的参数及配置，从而实现对 CPLD 内部模块的运行控制；2.可以向 CPLD 索取或转发相关数据，譬如 PCI 总线数据、DA 转换数据等；3.可以向 CPLD 发送命令，使其根据命令要求完成操作，譬如命令 CPLD 将获取到的 PCI 总线数据存入 RAM 的特定区域。同时，DSP 也可通过控制及数据总线来对 RAM 进行读写操作20。2.1.3 输入输出驱动电路输入输出驱动电路 运动控制卡上还包括各类外部设备的专用驱动电路，以满足不同种类控制方式外设的需求。其中，16 位与 12 位 DA 转换电路在 CPLD 内部 DA 控制模块的控制下，完成数字信号到模拟信号的转换，通过放大电路放大后输出到模拟控制方式的设备驱动端。输入输出驱动电路在 CPLD 内部 IO 控制模块的控制下，实现从 CPLD 到外部设备或从外部设备到 CPLD 的数字信号的隔离与电平转换。在 CPLD 中，DA 控制模块与 IO 控制模块统一由主控器模块来控制与管理。而对于有一定数据计算要求的对象，如编码器、步进电机、PWM 信号，其相应的驱动电路则由 DSP 来控制。2.2 运动控制卡性能指标运动控制卡性能指标 为实现高速、实时、精确、稳定的运动控制能力，通信接口标准、驱动电路兼容性、内部总线带宽、信号建立时间与时间间隔精度等性能指标将成为设计的技术关键。2.2.1 通信接口标准通信接口标准 运动控制卡与计算机之间的通信采用 PCI 总线标准。普通 PCI 总线（相较于 PCI Express总线）分为32位33MHz和32位66MHz两种模式，其总线带宽分别为133MB/s和 266MB/s。接入 PCI 总线的设备之间需具备主从关系，在计算机与运动控制卡之间，计算机为主设备，运动控制卡必须为从设备。因此，将运动控制卡通信接口标准制定为：支持 32 位数据位宽、33MHz 及 66MHz 传输速率、从设备模式的 PCI 协议接口标准。2.2.2 驱动电路兼容性驱动电路兼容性 驱动电路需兼容不同类型被控对象的接口电平标准，其主要分为模拟信号电平 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11标准与数字信号电平标准两部分。模拟信号即 DA 转换模块输出部分，在对市场上主流的模拟信号控制设备电平标准进行调查与统计后，制定出运动控制卡的 DA 转换模块输出电平标准。其中 16位精度 DA 转换模块支持-5V+5V、0V+10V 及-10V+10V 三种输出电平标准，12位精度 DA 转换模块支持-5V+5V 及 0V+10V 两种输出电平标准，通过设置运动控制卡的电平标准设置跳线，可在不同的输出电平标准间进行自动切换。数字信号主要包括 I/O 接口与 PWM 输出信号。其中，规定 PWM 输出信号与 I/O接口的输出部分需符合工业控制领域中常规的 5V 电平标准，且当输出为高电平状态时需具备推挽输出能力（即高电平状态时，用户接口直接连接至运动控制卡的 5V 电源），以增强输出负载能力。规定 I/O 接口的输入部分需兼容 3.3V、5V、12V 等电平标准，并将其统一转换为与 DSP 处理器及 CPLD 一致的 3.3V 电平标准。另外，大功率设备在运行过程中，其 I/O 接口时常会因为受到功率干扰而出现大功率脉冲信号，若运动控制卡 I/O 接口电路不设计任何防范措施，则脉冲信号进入到I/O 接口电路后，极易烧毁 I/O 接口电路，同时，由于 I/O 接口电路受 DSP 或 CPLD控制，故脉冲甚至可能经 I/O 接口电路传导至 DSP 或 CPLD 中，导致 DSP 或 CPLD芯片烧毁。为此，I/O 接口模块需引入隔离电路设计，使运动控制卡的内部电路与外部接口产生电气隔离，从而避免运动控制卡内部电路受到外部脉冲信号的影响21-22。2.2.3 内部总线带宽内部总线带宽 DSP 处理器、CPLD 及 RAM 存储器通过统一的地址及数据总线进行数据传输，通过控制信号总线进行状态控制，其总线结构如图 2.3 所示。图 2.3 DSP、CPLD 及 RAM 间的总线连接方式 在该总线结构中，由于 DSP 与 CPLD 两者皆具备充当主设备的能力，因此若不对总线访问权限加以限制，则可能导致总线冲突。故在此规定，DSP、CPLD 及 RAM 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12三者间由 DSP 充当主设备，DSP 负责控制地址及数据总线的访问权限。当 DSP 占用地址及数据总线来访问 RAM 或 CPLD 时，DSP 通过控制信号总线告知 CPLD 总线处于忙状态，此时，CPLD 不得访问地址及数据总线；当 DSP 释放地址及数据总线时，DSP 通过控制信号总线告知 CPLD 总线处于空闲状态，此时，CPLD 允许访问地址及数据总线，则 CPLD 可通过地址及数据总线来访问 RAM 存储器23。为保证充足的数据传输带宽，将地址及数据总线设计为 19 位地址线及 16 位数据线的形式，则总线具备 512K 的寻址空间以及 16 位的并行数据传输能力。同时 DSP与 CPLD 间具备 8 位控制信号线，DSP 可通过控制信号总线向 CPLD 通知当前 DSP占用总线的情况或者回读到 CPLD 使用总线的情况。2.2.4 信号建立时间与时间间隔精度信号建立时间与时间间隔精度 在 DA 转换过程中，数字信号输入到模拟信号输出的时间间隔称为信号建立时间，记为 tset。在模拟信号控制伺服电机的过程中，模拟信号输入到电机动作输出的时间间隔称为电机响应时间，记为 tact。故电机对数字信号的响应时间为(tset+tact)。当电机响应时间 tact恒定时，则信号建立时间 tset将直接影响伺服电机对数字信号的响应速度。在 DA 转换过程中，将相邻两次数字信号输入的时间间隔记为t，则在数字信号响应时间(tset+tact)恒定的情况下，伺服电机相邻两次动作的时间间隔也等于t，而伺服电机保持匀速运动，即速率 V 恒定不变，故伺服电机相邻两次动作间的行程(Vt)与数字信号输入时间间隔t 成线性关系。因此，当t 恒定不变时，伺服电机的每次动作行程将保持一致。以振镜式激光标刻机为例，其振镜机构即采用伺服电机驱动。信号建立时间 tset与时间间隔t 对该设备的直观影响体现于，tset越长，则从运动控制卡发出指令到激光焦点位置发生改变的时间间隔越长，即“反应过慢”；而t 若处于时刻变化状态，则激光焦点位置的偏移将“忽快忽慢”，从而导致被加工物体表面的激光刻痕“忽浅忽深”。因此，快速的信号建立时间 tset与恒定的数字信号时间间隔t 成为高速、精确运动控制的前提。在运动控制卡中，16 位 DA 转换电路的 tset需低于 1us，t 可控且最低可设置为1us；12 位 DA 转换电路的 tset需低于 10us，t 不做要求。华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 132.3 本章小结本章小结 本章对运动控制卡的硬件系统进行总体设计，就通信接口、控制核心、输入输出驱动电路等三大方案进行了详细设计与描述，并对通信接口标准、驱动电路兼容性、内部总线带宽、信号建立时间与时间间隔精度等直接影响运动控制卡性能的各项指标进行了分析与设定。华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 143 运动控制卡硬件设计运动控制卡硬件设计 硬件设计包含主芯片选型及运动控制卡的电路设计两部分内容，而硬件实现则是根据设计内容来制作完成运动控制卡实物。3.1 运动控制卡主芯片选型运动控制卡主芯片选型 运动控制卡的运算及控制核心主要由 DSP 处理器、CPLD 和 RAM 存储器等三大芯片构成，其各自性能优劣、三者间性能均衡性以及接口兼容性等条件将直接影响运动控制卡的整体性能。3.1.1 DSP 处理器处理器 DSP 处理器选用 TI 公司的 TMS320F28335 高性能浮点型数字信号处理器。TMS320F28335 采用静态 CMOS 工艺，主频可达 150MHz，其内核供电采用 1.9V 或1.8V 低电压，可有效降低芯片功耗，而 I/O 供电采用 3.3V 电压，能与常规 CPLD 及RAM 的 I/O 接口电平标准兼容24。TMS320F28335 除具备 16 x 16 和 32 x 32 乘法器外，其相较于常规定点型数字信号处理器，还内嵌有符合 IEEE-754 行业标准的单指令周期浮点处理单元（Floating-Point Unit），对浮点型运算任务拥有更高的执行效率。TMS320F28335 拥有多达 6 通道的 DMA（Direct Memory Access）控制器，使用户实现对 ADC、McBSP、ePWM、XINTF 和 SARAM 等设备的高速访问。其中，对XINTF（External Interface）的访问支持 16 位与 32 位模式，且具备 2M x 16 位的寻址能力。其片上集成 256K x 16 的 Flash 型非易失性存储器，以及 34K x 16 的 SARAM型内部存储器，提供了更充足的程序存储空间以及程序运行内存25。从性能参数中可以看出，TMS320F28335 除具备浮点型数字信号处理器的性能特征外，还同时拥有微控制器的部分特性，满足了运动控制过程中对运算与控制的双重要求，极其适合于充当运动控制卡的主处理器芯片。3.1.2 CPLD CPLD 与 FPGA 皆属于专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 15ASIC）范畴，它们可被看作半定制型电路，是一种用户可根据自身需求自行构造逻辑功能的数字集成电路。在设计中引入诸如 FPGA 和 CPLD 等大规模专用集成电路后，可将原本大量的分立式逻辑电路集成到单一芯片中，大大节省硬件资源及成本，此外，FPGA/CPLD 拥有极高的逻辑单元密度，可实现大规模的数字电路设计，同时其灵活的可编程特性也使得开发效率大为提高26。FPGA 与 CPLD 皆是可编程 ASIC 器件，有很多共同特点，也存在诸多差异。从性能上来看，CPLD 逻辑门密度在几千到几万个逻辑单元之间，而 FPGA 通常是在几万到几百万。大多 FPGA 含有高层次的内置模块，如加法器、乘法器和存储器等，而 CPLD 通常不具备以上功能。但另一方面，CPLD 具有非易失特性，程序下载至CPLD 后，上电即可运行，且断电数据不丢失，而 FPGA 断电后数据丢失，上电需重新加载数据，故需额外配置程序存储芯片，此特性的差异也使得 FPGA 的数据安全性不如 CPLD。之所以存在诸多性能差异，是由于 FPGA 和 CPLD 的结构特点和