摘 要: 由於(yu) DSP將超強的高速實時處理能力和豐(feng) 富的外設功能集於(yu) 一身，目前，以DSP為(wei) 核心的嵌入式運動控製器已經成為(wei) 開放式運動控製器的發展主流，並獲得廣泛的應用。本文通過 對運動控製器基本功能的研究，在分析、消化已有的基於(yu) DSP的運動控製器硬件資源基礎上，開發了運動控製器的軟件係統，詳細介紹了運動控製器的軟件設計。

關(guan) 鍵字: 軟件開發;DSP;運動控製

1 運動控製器硬件結構

　　本運動控製器的硬件結構主要分為(wei) 如下幾個(ge) 模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心 模塊和 CPLD 驅動與(yu) 擴展模塊;通信接口模塊，包括 PCI 總線、USB 總線和串口;I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲(chu) 器模塊，包括 SRAM 和 FLASH。本運動控製器的硬件結構如圖 1 所示。

圖 1 運動控製器硬件結構圖

　　1.1 DSP+CPLD 主控模塊

　　本係統采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 為(wei) 控製核心，這是工業(ye) 界首批 32 位的控製 專(zhuan) 用、內(nei) 含 FLASH 以及高達 150MHz 主頻的數字信號處理器，專(zhuan) 門為(wei) 工業(ye) 自動化、光學網絡及自動化控製等應用而設計的。TMS320F2812 采用哈佛總線結構，有獨立的程序和數據空間;具有很強的運算能力，能夠實時地處理許多複雜的控製算法;片上內(nei) 存豐(feng) 富，可支持45 個(ge) 外設級中斷和 3 個(ge) 外部中斷，提取中斷向量和保存現場隻需 9 個(ge) 時鍾周期，響應迅速; 片上集成了多種先進的外設，包括兩(liang) 個(ge) 事件管理器（EV）、12 位 A/D、兩(liang) 個(ge) 串行通信接口（SCI）、一個(ge) 串行外圍接口（SPI）以及一個(ge) 多通道緩衝(chong) 串行接口（McBSP）等;其通用輸 入/輸出多路複用器（GPIO）擁有多達 56 個(ge) I/O 口，在係統的軟件開發中正是利用了這些豐(feng) 富的內(nei) 外設資源，才實現了係統要求的各種功能。

　　本係統中選用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 係列的 EPM3128，這是一款高性能、 低功耗的基於(yu) EEPROM 的 PLD。由於(yu) 本係統的控製對象是步進電機，所以設計中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口進行電機控製接口與(yu) I/O 接口的輸入輸出，但是由於(yu) TMS320F2812

　　是低功耗處理器，其 GPIO 引腳的輸出驅動能力有限，而且由於(yu) DSP 是主控核心，負載比 較多，所以將所有輸出信號都經過 CPLD 驅動後輸出，提高信號的驅動能力。此外，CPLD還用於(yu) 係統電路的譯碼，增加係統設計的靈活性和可擴展性。

　　1.2 通信接口模塊

　　本係統在用作插卡式運動控製時利用 PCI 總線實現 DSP 與(yu) PC 的通信。 PCI（PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯）總線是 Intel 公司聯合其他 100 多家公司於(yu) 1992 年推 出的基於(yu) 新一代處理器的一種局部總線，是一種高性能 32/64 位數據/地址複用總線，能為(wei) CPU 及外設提供高性能數據。 PCI 總線具有嚴(yan) 格的規範，目前已經發布了 PCI V1.0 和 V2.1規範，保證了其良好的兼容性;PCI 總線與(yu) CPU 無關(guan) ，與(yu) 時鍾頻率也無關(guan) ，可適用於(yu) 各種平台，支持多處理器和並發工作;PCI 總線可以提供極高的數據傳(chuan) 輸速率，還具有良好的擴 展性。因此，PCI 總線在基於(yu) 計算機總線的運動控製係統，即“PC+運動控製器”的結構中應用十分廣泛。

　　本係統選用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片實現 PC 機和 DSP 之間的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控製器，它是基於(yu) 應用層編程的接口器件，相對於(yu) 其它基於(yu) 鏈路層編程的接口器件，使用和開發都很方便。本係統采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模塊以及 MAX232 芯片轉換成標準 RS-232 的通 信信號，實現正常的串口通信。

　　1.3 I/O 輸入輸出接口模塊

　　本係統的輸入/輸出是通過 CPLD 的邏輯控製來實現的，以提高係統的工作可靠性和設 計柔性。考慮到運動控製器的可擴展性以及 DSP 的 GPIO 引腳的數量，共設計了 16 路數字量輸出通道和 16 路數字量輸入通道。數字量輸出通道主要用於(yu) 各軸方向、脈衝(chong) 信號的輸出以及一些外部設備的啟停控製，如主軸及冷卻液的開關(guan) 控製等;數字量輸入通道可根據用戶 具體(ti) 要求來定義(yi) 其用途，如作為(wei) 傳(chuan) 感器接口，用於(yu) 零點、限位信號的輸入等。為(wei) 提高係統應用的靈活性，係統輸出采用了普通輸出和差分輸出兩(liang) 種方式，具體(ti) 使用可由用戶自行設定。

　　1.4 外圍存儲(chu) 器模塊

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

　　FLASH 用來存儲(chu) 係統軟件程序已經足夠，但是在實際使用中，考慮到運動控製指令和加工程序需要通過 USB 總線或 PCI 總線下載到運動控製器中，且 DSP 在工作過程中需要處理大 量的數據，僅(jin) 依靠 DSP 芯片內(nei) 部的存儲(chu) 空間遠遠不夠，所以考慮外擴一片 FLASH 和一片SRAM 作為(wei) 用戶加工程序存儲(chu) 器和係統的工作存儲(chu) 器，它們(men) 通過 CPLD 完成與(yu) DSP 之間的讀寫(xie) 操作。

　　本係統選用了 Intel 公司的 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝製成的 8MB 的 FLASH，其讀寫(xie) 訪問時間為(wei) 150ns，此讀寫(xie) 周期已經 大於(yu) DSP 對外部端口的讀寫(xie) 周期，為(wei) 了能夠和 DSP 的讀寫(xie) 周期進行匹配，在對 FLASH 進 行讀寫(xie) 操作過程中必須插入等待周期。IS61LV51216 是一種高速異步靜態 512KB 的 SRAM， 其讀寫(xie) 周期為(wei) 10ns，與(yu) DSP 之間可以無需插入等待周期便可以進行讀寫(xie) 操作，並可以直接映射到 DSP 外部存儲(chu) 接口的 Zone2 或者 Zone6 區域。

2 運動控製器軟件結構

　　2.1 係統軟件功能設計 運動控製器通常作為(wei) 一個(ge) 獨立的過程控製單元用於(yu) 工業(ye) 自動化生產(chan) 中，它的功能是由硬件和軟件共同實現的硬件為(wei) 軟件運，行提供了支撐環境，軟件負責實現係統要求的所有功能。本係統軟件需要完成控製和管理兩(liang) 大任務，圖 2 表示的是其軟件功能結構。

圖 2 運動控製器軟件功能結構圖

　　其中，係統的控製包括位置控製、插補、速度處理和開關(guan) 量 I/O 控製等，這類任務的實 時性很強，所以軟件程序的優(you) 先級也較高;係統的管理包括人機界麵顯示、參數設置和程序 下載等，這類任務的實時性要求不高，所以軟件程序的優(you) 先級也相對較低。可以說，一個(ge) 運 動控製係統的基本功能均由上述功能的子程序實現，通過增加子程序可進一步增加係統的功 能。

　　要實現這些功能，必須做好運動控製器的軟件規劃，劃分各個(ge) 功能模塊，才能在 DSP 芯片上設計運行程序。本係統軟件主要分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 層次，包括 PC 層軟件和 DSP 層軟件，其中PC 層軟件在單板式運動控製中主要實現加工程序的傳(chuan) 輸和下載等功能;在插卡式運動控製中，除此之外，還需實現加工情況顯示、加工命令發送等人機交互界麵的功能。 運動控製器的主要功能由 DSP 層完成，本課題的主要任務也是 DSP 層軟件的程序實現，具體(ti) 包括：

　　1.運動控製 運動控製功能是運動控製器的主要功能，包括位置控製、插補和輔助功能的輸入輸出I/O 控製。本係統基本功能是實現 XYZ 三軸的運動控製，包括三軸聯動的直線插補運動和任意兩(liang) 軸圓弧插補運動，可以實現步進電機的運動控製，提供單脈衝(chong) （即脈衝(chong) +方向）和雙脈 衝(chong) （即脈衝(chong) +脈衝(chong) ）兩(liang) 種控製方式。#p#分頁標題#e#

　　2.速度控製

　　速度控製即調速，利用加減速算法，實現係統的平穩運動。係統設計空行程時的運動速度不小於(yu) 100KHz，加工過程中的插補運動速度不小於(yu) 40KHz;當脈衝(chong) 當量為(wei) 2.5 微米時可達到的空行程和加工的最高速度分別為(wei) 15m/min 和 6m/min。

　　3.通信功能

　　運動控製器不是一個(ge) 孤立封閉的係統，它必須和外界交換數據，主機通信主要完成兩(liang) 個(ge) 任務：一個(ge) 是程序的下載，另一個(ge) 是控製指令的發送和加工狀態的反饋。根據單板式控製和插卡式控製兩(liang) 種不同的應用，分別有不同的通信方式。其中，在單板式控製中，通過 USB總線進行程序下載而通過串口進行控製指令的發送和加工狀態的反饋;在插卡式控製中，兩(liang) 種任務都是由 PCI 總線來完成。本係統的多用性特點主要體(ti) 現在通信方式的不同上，支持PCI 總線方式、 USB 總線方式以及異步串行總線方式，供用戶自由選擇。

　　4.參數設置 作為(wei) 開放式運動控製器，應該允許用戶對控製係統的各運動參數進行實時調整與(yu) 修改。

　　本係統設計將各參數存放在 FLASH 中，允許用戶通過人機界麵對參數進行修改，修改後的參數將在下次操作中起作用。

　　2.2 係統軟件層次設計

　　DSP 軟件采用模塊化和層次化的設計思路，為(wei) 使結構清晰，整個(ge) 係統軟件按功能群分割為(wei) 多個(ge) 文件分別處理和完成相應的任務，主要分為(wei) 三個(ge) 層次：

　　1.主控層：不涉及具體(ti) 操作，隻負責各個(ge) 任務調度、中斷安排、時間和優(you) 先級處理等， 主控層隻有一個(ge) 文件 main.c，包括主函數和中斷函數，在主函數和中斷函數中調用算法層的函數來實現係統的各個(ge) 功能。

　　2.算法層：負責具體(ti) 任務執行，控製算法實現，係統的主要功能都在算法層實現，包 含的模塊由係統要求的各個(ge) 功能來決(jue) 定，算法層主要用以實現運動控製、速度控製和係統管理等功能，各模塊之間通過標誌位來聯係，不互相調用。

　　3.接口層：負責與(yu) 硬件的接口，所有與(yu) 外設有關(guan) 的操作都在該層進行處理，接口層中 包括 DSP 硬件資源的定義(yi) 、係統硬件的驅動等。除接口層外，係統其它層的程序禁止直接對外設進行操作，接口層直接對外設進行操作的函數盡可能做到功能完善。 綜上所述，本係統根據以上功能和層次進行軟件設計並遵循以下原則：

　　（1）全局性：盡量保證係統各模塊負載均衡;

　　（2）正確性：數學推導嚴(yan) 密，盡可能利用試驗驗證;

　　（3）結構化：軟件設計做到層次化、模塊化、封裝化;

　　（4）規範性：保證程序的易讀性、移植性和可維護性。

3 小結:

　　本文作者創新點是運動控製是數控技術的核心，近年來，隨著開放式數控係統的發展， 開放式運動控製器也得到了前所未有的發展。運動控製器作為(wei) 一個(ge) 獨立的工業(ye) 自動化控製類標準部件，已經被越來越多的產(chan) 業(ye) 領域接受，並形成了令人矚目的市場規模。本文介紹了運動控製器的總體(ti) 設計方案，包括運動控製器的硬件平台以及軟件設計思路。

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