摘要:  由于DSP將超強的高速實時處理能力和豐富的外設(shè)功能集于一身，目前，以DSP為核心的嵌入式運動控制器已經(jīng)成為開放式運動控制器的發(fā)展主流逮弛，并獲得廣泛的應(yīng)用。本文通過 對運動控制器基本功能的研究照腐，在分析鞋会、消化已有的基于DSP的運動控制器硬件資源基礎(chǔ)上，開發(fā)了運動控制器的軟件系統(tǒng)贿册，詳細(xì)介紹了運動控制器的軟件設(shè)計填杀。

1  運動控制器硬件結(jié)構(gòu)

　　本運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心 模塊和 CPLD 驅(qū)動與擴展模塊睦忘；通信接口模塊焦厘，包括 PCI 總線、USB 總線和串口砖啄；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲器模塊绽脏，包括 SRAM 和 FLASH。本運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示蒸甜。

圖 1    運動控制器硬件結(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 為控制核心棠耕，這是工業(yè)界首批 32 位的控制 專用、內(nèi)含 FLASH 以及高達 150MHz 主頻的數(shù)字信號處理器迅皇，專門為工業(yè)自動化昧辽、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動化控制等應(yīng)用而設(shè)計的。TMS320F2812  采用哈佛總線結(jié)構(gòu)登颓，有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間搅荞；具有很強的運算能力，能夠?qū)崟r地處理許多復(fù)雜的控制算法框咙；片上內(nèi)存豐富咕痛，可支持45 個外設(shè)級中斷和 3 個外部中斷，提取中斷向量和保存現(xiàn)場只需 9 個時鐘周期喇嘱，響應(yīng)迅速茉贡； 片上集成了多種先進的外設(shè)，包括兩個事件管理器（EV）者铜、12  位  A/D腔丧、兩個串行通信接口（SCI）、一個串行外圍接口（SPI）以及一個多通道緩沖串行接口（McBSP）等绵颅；其通用輸 入/輸出多路復(fù)用器（GPIO）擁有多達 56 個 I/O 口曹胚，在系統(tǒng)的軟件開發(fā)中正是利用了這些豐富的內(nèi)外設(shè)資源玲禾，才實現(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济谢，這是一款高性能盏掉、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系統(tǒng)的控制對象是步進電機情腥，所以設(shè)計中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口進行電機控制接口與 I/O 接口的輸入輸出毙向，但是由于 TMS320F2812

　　是低功耗處理器，其 GPIO 引腳的輸出驅(qū)動能力有限辰张，而且由于 DSP 是主控核心形负，負(fù)載比 較多，所以將所有輸出信號都經(jīng)過 CPLD 驅(qū)動后輸出标炭，提高信號的驅(qū)動能力失欢。此外戈弧，CPLD還用于系統(tǒng)電路的譯碼斑卤，增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和可擴展性。

1.2  通信接口模塊

　　本系統(tǒng)在用作插卡式運動控制時利用 PCI 總線實現(xiàn) DSP 與 PC 的通信潭千。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯(lián)）總線是 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谱姓，是一種高性能  32/64  位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線，能為 CPU 及外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)刨晴。PCI 總線具有嚴(yán)格的規(guī)范屉来，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狈癞；PCI 總線與 CPU 無關(guān)茄靠，與時鐘頻率也無關(guān)，可適用于各種平臺蝶桶，支持多處理器和并發(fā)工作慨绳；PCI 總線可以提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，還具有良好的擴 展性真竖。因此脐雪，PCI 總線在基于計算機總線的運動控制系統(tǒng)，即“PC+運動控制器”的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛恢共。

　　本系統(tǒng)選用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片實現(xiàn) PC 機和 DSP 之間的 USB 通信战秋。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柴炉，相對于其它基于 鏈路層編程的接口器件辟堡，使用和開發(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 信信號青竹，實現(xiàn)正常的串口通信触晃。

1.3 I/O 輸入輸出接口模塊

　　本系統(tǒng)的輸入/輸出是通過 CPLD 的邏輯控制來實現(xiàn)的妥坦，以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設(shè) 計柔性〗琶牵考慮到運動控制器的可擴展性以及 DSP 的 GPIO 引腳的數(shù)量房贮，共設(shè)計了 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鳖路、脈沖信號的輸出以及一些外部設(shè)備的啟褪怛眩控制，如主軸及冷卻液的開關(guān)控制等盏萝；數(shù)字量輸入通道可根據(jù)用戶 具體要求來定義其用途寂贱，如作為傳感器接口，用于零點澡呼、限位信號的輸入等滋饲。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喊巍，具體使用可由用戶自行設(shè)定屠缭。

1.4  外圍存儲器模塊

　　TMS320F2812 芯片內(nèi)部包括 128KB 的 FLASH 和 18KB 的 SARAM，其中 128KB 的

　　FLASH  用來存儲系統(tǒng)軟件程序已經(jīng)足夠崭参，但是在實際使用中呵曹，考慮到運動控制指令和加工程序需要通過 USB 總線或 PCI 總線下載到運動控制器中，且 DSP 在工作過程中需要處理大 量的數(shù)據(jù)何暮，僅依靠 DSP  芯片內(nèi)部的存儲空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠奄喂，所以考慮外擴一片 FLASH  和一片SRAM 作為用戶加工程序存儲器和系統(tǒng)的工作存儲器，它們通過 CPLD 完成與 DSP 之間的讀寫操作海洼。

　　本系統(tǒng)選用了 Intel 公司的 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM跨新。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8MB 的 FLASH，其讀寫訪問時間為 150ns坏逢，此讀寫周期已經(jīng) 大于 DSP 對外部端口的讀寫周期域帐，為了能夠和 DSP 的讀寫周期進行匹配，在對 FLASH 進 行讀寫操作過程中必須插入等待周期词疼。IS61LV51216 是一種高速異步靜態(tài) 512KB 的 SRAM摇致， 其讀寫周期為 10ns，與 DSP 之間可以無需插入等待周期便可以進行讀寫操作秫丐，并可以直接映射到 DSP 外部存儲接口的 Zone2 或者 Zone6 區(qū)域肯仍。

2  運動控制器軟件結(jié)構(gòu)

2.1  系統(tǒng)軟件功能設(shè)計 運動控制器通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中，它的功能是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的硬件為軟件運竹俱，行提供了支撐環(huán)境景捅，軟件負(fù)責(zé)實現(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)摊房，圖 2 表示的是其軟件功能結(jié)構(gòu)赚懊。

圖 2    運動控制器軟件功能結(jié)構(gòu)圖

　　其中诅潮，系統(tǒng)的控制包括位置控制、插補你朝、速度處理和開關(guān)量 I/O 控制等胜全，這類任務(wù)的實 時性很強，所以軟件程序的優(yōu)先級也較高爪只；系統(tǒng)的管理包括人機界面顯示琅功、參數(shù)設(shè)置和程序 下載等，這類任務(wù)的實時性要求不高先嬉，所以軟件程序的優(yōu)先級也相對較低轧苫。可以說疫蔓，一個運 動控制系統(tǒng)的基本功能均由上述功能的子程序?qū)崿F(xiàn)含懊，通過增加子程序可進一步增加系統(tǒng)的功 能。

　　要實現(xiàn)這些功能衅胀，必須做好運動控制器的軟件規(guī)劃岔乔，劃分各個功能模塊，才能在  DSP 芯片上設(shè)計運行程序拗小。本系統(tǒng)軟件主要分為兩個層次重罪，包括 PC 層軟件和 DSP 層軟件，其中PC  層軟件在單板式運動控制中主要實現(xiàn)加工程序的傳輸和下載等功能哀九；在插卡式運動控制中，除此之外搅幅，還需實現(xiàn)加工情況顯示阅束、加工命令發(fā)送等人機交互界面的功能。 運動控制器的主要功能由 DSP 層完成茄唐，本課題的主要任務(wù)也是 DSP 層軟件的程序?qū)崿F(xiàn)伴严，具體包括：

1．運動控制 運動控制功能是運動控制器的主要功能，包括位置控制辐芍、插補和輔助功能的輸入輸出I/O 控制贡垃。本系統(tǒng)基本功能是實現(xiàn) XYZ 三軸的運動控制，包括三軸聯(lián)動的直線插補運動和任意兩軸圓弧插補運動掷戚，可以實現(xiàn)步進電機的運動控制令久，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。

2．速度控制

　　速度控制即調(diào)速猫郎，利用加減速算法沧唧，實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運動。系統(tǒng)設(shè)計空行程時的運動速度不小于 100KHz矩修，加工過程中的插補運動速度不小于 40KHz叫砚；當(dāng)脈沖當(dāng)量為 2.5 微米時可達到的空行程和加工的最高速度分別為 15m/min 和 6m/min啼康。

3．通信功能

　　運動控制器不是一個孤立封閉的系統(tǒng)，它必須和外界交換數(shù)據(jù)铡涣，主機通信主要完成兩個 任務(wù)：一個是程序的下載凑逗，另一個是控制指令的發(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)用否淤，分別有不同的通信方式满败。其中，在單板式控制中叹括，通過  USB總線進行程序下載而通過串口進行控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋算墨；在插卡式控制中，兩種任務(wù)都是由  PCI  總線來完成汁雷。本系統(tǒng)的多用性特點主要體現(xiàn)在通信方式的不同上净嘀，支持PCI 總線方式、USB 總線方式以及異步串行總線方式侠讯，供用戶自由選擇挖藏。

4．參數(shù)設(shè)置 作為開放式運動控制器，應(yīng)該允許用戶對控制系統(tǒng)的各運動參數(shù)進行實時調(diào)整與修改厢漩。

　　本系統(tǒng)設(shè)計將各參數(shù)存放在 FLASH 中膜眠，允許用戶通過人機界面對參數(shù)進行修改，修改后的參數(shù)將在下次操作中起作用溜嗜。

2.2  系統(tǒng)軟件層次設(shè)計

　　DSP 軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計思路宵膨，為使結(jié)構(gòu)清晰，整個系統(tǒng)軟件按功能群分割為多個文件分別處理和完成相應(yīng)的任務(wù)丢墅，主要分為三個層次：

1．主控層：不涉及具體操作兔憨，只負(fù)責(zé)各個任務(wù)調(diào)度、中斷安排莽简、時間和優(yōu)先級處理等扶楣， 主控層只有一個文件  main.c，包括主函數(shù)和中斷函數(shù)淹宽，在主函數(shù)和中斷函數(shù)中調(diào)用算法層的函數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能睬毒。

2．算法層：負(fù)責(zé)具體任務(wù)執(zhí)行，控制算法實現(xiàn)劫丧，系統(tǒng)的主要功能都在算法層實現(xiàn)遣株，包 含的模塊由系統(tǒng)要求的各個功能來決定，算法層主要用以實現(xiàn)運動控制尿旅、速度控制和系統(tǒng)管理等功能陋疑，各模塊之間通過標(biāo)志位來聯(lián)系，不互相調(diào)用捕阅。

3．接口層：負(fù)責(zé)與硬件的接口泉钮，所有與外設(shè)有關(guān)的操作都在該層進行處理麸塞，接口層中 包括 DSP 硬件資源的定義、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動等涧衙。除接口層外哪工，系統(tǒng)其它層的程序禁止直接對外設(shè)進行操作，接口層直接對外設(shè)進行操作的函數(shù)盡可能做到功能完善弧哎。 綜上所述雁比，本系統(tǒng)根據(jù)以上功能和層次進行軟件設(shè)計并遵循以下原則：

（1）全局性：盡量保證系統(tǒng)各模塊負(fù)載均衡；

（2）正確性：數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密撤嫩，盡可能利用試驗驗證偎捎；

（3）結(jié)構(gòu)化：軟件設(shè)計做到層次化、模塊化序攘、封裝化茴她；

（4）規(guī)范性：保證程序的易讀性、移植性和可維護性程奠。

3  小結(jié):

　　本文作者創(chuàng)新點是運動控制是數(shù)控技術(shù)的核心丈牢，近年來，隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展瞄沙， 開放式運動控制器也得到了前所未有的發(fā)展已箫。運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類標(biāo)準(zhǔn)部件，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受坟荤，并形成了令人矚目的市場規(guī)模蕴节。本文介紹了運動控制器的總體設(shè)計方案，包括運動控制器的硬件平臺以及軟件設(shè)計思路祈哆。

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