一種基于DSP的運動控制器的設計

廖永忠 何湘華

（湖南第一師范學院信工系 湖南 長沙 410205）

0 前言

信息技術(shù)的快速發(fā)展帶動了現(xiàn)代制造技術(shù)的進步，柔性化制造是現(xiàn)代制造技術(shù)的方向，希望制造系統(tǒng)能夠根據(jù)外部情況進行動態(tài)調(diào)整，以適應外部環(huán)境的變化。相應的運動控制的要求也越來越高，而作為運動控制器核心器件的MCU，它的發(fā)展十分迅速，無論是運算速度，還是價格，都有了很大的發(fā)展，很多公司開發(fā)一大批性價比高的MCU，而且集成了大量針對不同應用的專用電路，來提高運算速度。綜合上述的分析與論證，本文設計了一種基于TI公司的TMS320LF2407A的的運動控制器。

1 系統(tǒng)方案設計

本設計采用PC機和DSP通過通信來實現(xiàn)系統(tǒng)的方案，選用TI公司的TMS320LF2407A的DSP作為下位機的CPU，首先通過PC機對數(shù)據(jù)進行初步處理，然后把PC處理的數(shù)據(jù)通過DSP-PC通訊接口傳給DSP，同時DSP讀取光電編碼器反饋的實時信號，再來計算實際位置與理論位置的偏差值，生成運動速度控制量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后送給運動伺服放大器，然后控制伺服電機運動（系統(tǒng)的框圖如圖1所示）。

系統(tǒng)采用可編程邏輯電路（CPLD）完成地址譯碼、時序邏輯、編碼器信號處理，用PCI接口芯片實現(xiàn)雙口RAM與PC機的通訊，采用兩個RMM存取數(shù)據(jù)，雙口RAM用來存儲通訊數(shù)據(jù)，SRAM用來存儲運行時的程序和數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件設計

2.1 DSP中斷處理

對于運動系統(tǒng)來說，其工作行程是有空間的限制，當其超過了系統(tǒng)運動空間范圍時，就需要系統(tǒng)能自動切斷報警，本系統(tǒng)引入硬件中斷和軟件中斷，包括限位中斷和編碼器INDEX信號中斷兩種不同。在每個控制軸上安裝有正反方向的兩個限位開關(guān)，它在超過行程的時候會產(chǎn)生兩個開關(guān)限位信號，這樣如果我們有3個軸，就會產(chǎn)生6個限位信號：LIMX+,LIMX-、LIMY+,LIMY-、LIMZ+,LIMZ-,這里的“+”表示正限位，“-”表示負限位。用CPLD完成它們邏輯運算后接到TMS320LF2407A的中斷管腳XINT1，這個信號通過光藕電路接入TMS320LF2407A的I/O口。當運動系統(tǒng)處于超過行程的時候，限位開關(guān)就會工作，觸發(fā)TMS320LF2407A的中斷，然后TMS320LF2407A根據(jù)中斷來判斷哪個方向超過工作行程。通過設置MCRA(ADDRESS:7090H),MCRB(ADDRESS:7092H)讓DSP的管腳為I/O口。然后從寄存器 PADATDIR(ADDRESS:7098H)和 PBDATDIR(ADDRESS:709AH)對應的數(shù)據(jù)位讀取信息,在使用這些管腳時候，通過置0以使這些I/O管腳工作在“輸入”狀態(tài)下。編碼器INDEX信號中斷是使每個編碼器能產(chǎn)生一個INDEX信號，這3個信號通過邏輯與門產(chǎn)生一個中斷信號，接到XINT2,同時接到TMS320LF2407A的I/O口，供中斷產(chǎn)生時DSP讀入。

2.2 外擴RAM與譯碼

圖2 DSP擴展RAM程序

TMS320LF2407A有內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，由1.5K的數(shù)據(jù)/程序RAM以及544字雙口DARAM和2K字的SARAM組成，它的外部數(shù)據(jù)總線與地址總線分別是16位，通過設置控制信號線的方式可以分別訪問數(shù)據(jù)空間和地址空間，同時利用外擴存儲器的方法來彌補存儲空間太小而產(chǎn)生的問題，它支持擴展64K外部存儲器，所以一般能滿足大部分復雜控制算法對內(nèi)存的要求。這里我們選用CY7C1021芯片作為外擴存儲芯片，擴展64K的存儲空間，其中32k作為數(shù)據(jù)存儲器，32k作為程序存儲器，CY7C1021是一個高速存儲芯片，其最小訪問時間是12ns，能實現(xiàn)與DSP芯片高速訪問（TMS320LF2407最小時鐘周期為25ns），而不需要等待時間，其中的32K數(shù)據(jù)存儲器和32K片外程序存儲器，其地址編碼如下：數(shù)據(jù)存儲器為8000H～FFFFH，片外程序存儲器0000H～7FFFH，TMS320LF2407提供D/A模塊的片選信號以及編碼器模塊的片選信號。另外TMS320LF2407還支持64K的I/0空間。 它的引腳 IS、R/W、WE、A3、A2、A1、A0 參與譯碼，由可編程邏輯芯片EPM7128STC100完成譯碼，為外設提供控制信號。DAC模塊DACO～DAC3占用的I/0空間分別為00H-04H，編碼器信號處理模塊ENCONDER0～ENCODER3占用的I/0空間為05H～08H。

2.3 電源管理模塊

TMS320LF2407的功耗較低，電源供電電壓為3.3V，我們設計采用一個電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS-1117，由它實現(xiàn)把5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V。

2.4 在線仿真和測試接口設計

TMS320LF2407A上設置有JTAG標準測試接口，方便我們對程序的仿真和調(diào)試，我們可以利用這個測試口在CCS中用PC機下載程序到TMS320LF2407A芯片，完成對硬件的仿真，節(jié)約開發(fā)成本。

圖3 電源電路

圖4 JTAG接口電路圖

JTAG接口可以同TI的仿真器相連。JTAG接口與TMS320F2407A的連接如圖4所示，外接EMUO和EMU 1接入兩個上拉電阻，主要是為了加快信號上升時間。

3 結(jié)束語

本文設計了一種基于TMS320LF2407A芯片運動控制器，完成系統(tǒng)的硬件電路設計，利用TMS320LF2407A高速運算能力，完成實時數(shù)據(jù)的處理，并為后續(xù)復雜控制算法設計奠定基礎(chǔ)。

［1］高盛濤.基于工業(yè)PC的6軸伺服控制卡的研究和實現(xiàn)[D].北京：中國科學院，2001.

［2］章云，謝莉萍，熊紅艷.DSP控制器及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［3］Incorporated TI.TMS320LF2407A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual[M].2004.