一種嵌入式運動控制器的實現

本文選用DSP與FPGA作為運動控制器的核心部件，設計了通用型運動控制器。其中DSP用于運動軌跡規劃、速度控制及位置控制等功能;FPGA完成運動控制器的精插補功能，用于精確計算步進電機或伺服驅動元件的控制脈沖，同時接收并處理脈沖型位置反饋信號。本文對該運動控制器的總體結構、硬件設計和軟件設計進行了描述。

　　1 系統總體設計

　　運動控制器的總體性能指標為：作為一個單獨的運動控制器使用，控制信號采用數字量方式輸出，能控制四軸的伺服電機;最高脈沖輸出頻率為4MP/s，能處理的編碼器反饋信號最高頻率為4MP/s;能接收和處理4路編碼器反饋信號;可以處理原點信號、正負方向信號、到位信號以及急停信號等數字量輸入信號;提供16路數字量輸出信號和16路數字量輸入信號接口。運動控制器采用DSP與FPGA芯片作為主控芯片，主要包括DSP模塊、FPGA模塊、FPGA外圍電路模塊和數字量輸入輸出接口模塊。

　　采用基于DSP與FPGA的運動控制器，能夠實時完成復雜的軌跡運算，而且利用DSP的高速數字信號處理功能和FPGA功耗低、主頻高的優點，能充分顯示該運動控制器的優點。采用DSP與FPGA相結合的運動控制器可以方便地對系統的控制策略進行修改，對控制參數進行修正，并可使設備具有良好的可靠性、可維修性，而且還降低了成本。系統還可以采用更多的智能控制策略，結構靈活，有較強的通用性，適合于模塊化設計，能夠提高算法效率，且易于維護和擴展。總體設計方案原理框圖如圖1所示。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 DSP模塊

　　本控制器采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，它是32位的控制專用DSP，內含FLASH，主頻高達150MHz，具有數字信號處理、事件管理和嵌入式控制功能，適用于大批量數據處理的場合。

　　選用TI公司生產的TPS767D318芯片來實現TMS320-F2812的電源設計，將5V電源分別轉換為3.3V和1.8V。

　　SRAM是DSP常用的外圍存儲器，它具有接口簡單、讀寫速度快等優點，所以選擇大小為64KB的隨機存儲器CY7C1021作為存儲器擴展芯片。DSPF2812與CY7C1021接口電路如圖2所示。

　　復位電路設計采用TI公司的TPS382x系列電壓監控電路，此系列電路不需要外圍電路即可組成監控電路。SCI模塊用于擴展RS-232和RS-485串行通信接口;CAN模塊和外部CAN工業現場總線相連;外部接口用于與FPGA連接和擴展數字量輸入輸出。