基于CPLD和MCU的光軌閉環控制系統設計

李 鳴

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

標準光源在光軌上運行，要求運行平穩、振動小、重復定位精度高。系統采用光柵反饋位移信號，步進電機驅動組成的全閉環控制系統，有著良好的的位移、定位精度。設計中MCU完成數據處理、運算、控制驅動、通信功能，利用CPLD器件速度快、程序設計靈活、抗干擾能力強、與外圍電路接口方便等特點，集成設計了光柵采樣、數據鎖存、程控變頻、運行警戒等硬件電路。這樣提高了CPU的管理效率，也增強了數據采集、監控的實時性[1-5]。

1 系統設計原理

控制系統設計對上位機開放了2種控制功能：

（1）MCU對CPLD存儲的光柵信息和運行狀態信息進行實時采集，并將采集的二進制編碼轉換為ASCII碼后，通過串行接口傳送至上位機，上位機對收到的數據進行運算、處理后，反饋控制指令。MCU收到指令后進行解碼，根據指令要求執行相應的動作。

（2）系統備有十級調速檔，速度檔與頻率的對應關系見表1。當收到上位機發來的控制位移量后，MCU將ASCII碼轉換成二進制碼，通過模糊運算，并甄別當前位置狀態后自動控制運行。

控制系統除具備上位機控制功能外，針對長距離的設備安裝、調試等，輔助設計有遙控控制功能。遙控能夠實現前進、后退、停車、增速、減速等速度控制功能，對于較長距離的裝置檢修、調試十分方便。系統設計原理圖如圖1[6]。

圖1 系統設計原理圖

2 系統硬件設計與實現

2.1 MCU微處理器

MCU微處理器采用Silicon Storage Technology，Inc.公司的SST89E58RD2芯片為核心處理器，其特點是兼容MCS-51/52指令系統，+5V工作電壓，工作頻率0～40MHz，內部RAM 1K，內含2塊高性能Super Flash存儲器（EEPROM），主存儲塊32K，次存儲塊8K，支持最大64K的外部程序和數據存儲空間，3個16位定時/計數器，全雙工增強型串行通信口（UART），8個中斷源，4個優先級，帶內部可編程看門狗（WDT），可編程計數器陣列（PCA），降低EMI模式，雙DPTR指針，支持掉電檢測。

2.2 CPLD結構與性能

CPLD （complex programmable logic device）與FPGA（field programmable gate array）均屬超大規模可編程邏輯器件。設計采用了Altera公司生產的MAX7128S器件，其結構是將多個可編程陣列器件集成到一個芯片內，CPLD內部結構如圖2所示。主要包含3個部分，分別為可編程邏輯陣列塊（LAB）、可編程互聯陣列（PIA）、可編程I/O控制模塊，基本結構是宏單元，包括邏輯陣列、16乘積項選擇矩陣和可編程觸發器3種功能塊，每16個宏單元組成一個LAB，所有邏輯塊都連接到同一個可編程互聯陣列（PIA）。由于CPLD內部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連，所以設計的邏輯電路具有時間可預測性，避免了分段式互連結構時序不完全預測的缺點。其特性是編程靈活、集成度高、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進。

圖2 MAX7128S的結構圖

2.3 控制電路設計

利用SST89E58RD2內部的豐富資源和CPLD設計靈活的特性，這樣就構成了系統體積小、功能強且有很高性價比的控制系統。

控制電路原理圖如圖3，MCU通過8位數據總線與CPLD內部8位數據總線連接，進行數據交換，地址線用于選擇不同的工作單元和接口，RD控制線（有效）讀取CPLD內部存儲器數據和節點狀態信息，WR控制線（有效）將數據/指令送入相應工作單元或對應I/O控制口線。

圖3 控制電路示意圖

CPLD內部電路設計有地址譯碼器，地址譯碼器用于識別組件單元、I/O口線等。對光柵傳感器信號設計有判相、倍頻電路、計數器、鎖存器等。控制驅動設計有程控分頻器、脈沖輸出、方向控制等。輔助設計有內部節點狀態監測、限位甄別等。CPLD內部控制電路原理圖如圖4所示[7-8]。

3 系統軟件設計與實現

控制系統應具有以下功能：

（1）將數據和狀態信息實時傳送至上位機，內容包括位移值、限位傳感器信號、節點信息、速度控制狀態。

圖4 CPLD內部電路原理圖

（2）運動控制包括行進方向、步進電機工作頻率、啟動、停止。

（3）位移控制包括按絕對坐標運行和按相對坐標運行。絕對坐標運行是指從當前位置運行至指定位置。相對坐標運行是指從當前位置運行至當前所在坐標+位移值（或當前所在坐標值-位移值）。

（4）在位移控制方式，軟件能通過位移變化量，經模糊運算反饋速度輸出。

（5）控制系統內十檔速度參數可由上位機設置。

（6）根據以上要求提出程序設計思想。

控制系統程序設計流程圖如圖4所示。

程序設計由匯編語言（assembly language）實現，程序包括主程序和中斷程序。主程的一個控制流程，首先對指令標志進行檢測，當有指令標志時，則按照指令轉到相應分支程序執行動作，控制指令由中斷程序接收。當指令動作執行完畢，則清除指令標志，等待接收下一次控制指令。當未有指令標志時，程序將執行光柵數據、狀態信息采集，然后將采集的數據和狀態信息數據處理后送至指定單元，啟動發送，將數據由串口傳送至上位機[9-10]。

為傳送一組完整的數據，啟動通信后設置通信標志，當程序循環至此時，對通信標志進行判斷。如通信標志“忙”表示該組數據未傳送完畢，跳過執行；如通信標志“閑”表示數據已傳送完畢，可以進行新的數據傳送。至此，主程序的一個控制流程結束，返回至指令標志判斷。程序設計流程圖見圖5。

利用中斷處理具有實時性好的特點，將SST89E58RD2串口中斷作為與上位機實時數據交換，外部中斷0（INT0）作為CPLD對遙控信號解碼完成后的指令觸發。當串口中斷發生時，在中斷程序中將上位機指令通過處理后送至指令單元，并設置指令標志，串口中斷程序結束。

圖5 主程序設計流程圖

外部中斷0產生中斷時，通過調取CPLD的解碼單元，經處理后送指令單元，同時設置指令標志，INT0中斷程序結束。中斷程序流程圖見圖6

圖6 中斷程序設計流程圖

CPLD編程采用Altera公司的Quartus II10.1設計軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（altera hardware description language）等多種設計輸入形式。該文采用原理圖設計形式，通過硬件描述語言（AHDL、VHDL、Verilog)轉換原理圖，生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統[11-12]。

4 系統調試試驗與分析

在測試系統中，光柵柵距為0.05mm，驅動機構采用的步進電機57HB76-306和與其配套的驅動器YKA2304MA，驅動器的最高工作頻率200 kHz，64細分。系統中使用的時鐘頻率為20MHz，經分頻后送至驅動器。按照系統運行平穩、低噪音的技術要求應首先調整分頻系數，并以此作為設備運行的極限工作頻率。以此向下確定10檔速度頻率，供速度控制使用。在項目應用中，通過計算機控制軟件，調試確定的速度/頻率關系見表1，計算機操作界面見圖7。

表1 速度與頻率關系及頻率系數

表2 控制速度與位移關系

圖7 計算機控制界面示意圖

然后，對運動控制指令進行測試，如前進、后退、停車、增速、減速等控制指令。

位移控制方式，首先確定速度與位移關系，測試中采用計算機做閉環控制，位移距離設為2000mm，按表1速度檔分別測試，測試結果見表2。由控制速度與位移關系，建立速度-位移關系模型。利用MCU+CPLD控制系統響應速度快的特性，將每次采集的位移變化量，經模糊運算處理后反饋速度輸出。經測試，在8m長光軌上，輸入任意位置后控制運行，其設置位移與實際位移的偏差均在≤0.1mm范圍內。

5 結束語

CPLD的高度集成化和大容量設計，不僅完成了脈沖計數、存儲、I/O控制等功能，還可將控制運算程式用硬件方式設計于數字系統。這對于控制環節來說，替代由CPU完成運算后再反饋的處理方式，其實時性和抗干擾能力均有很大的提高。在實際應用中，基于CPLD+MCU的閉環控制系統，結構簡潔、開發周期短、響應速度快、可靠性好，有著很好的產品應用前景。

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