基于DSP和FPGA的激光加工系統控制器的設計

黃復清　林維鵬

摘 要： 根據激光加工系統的工作特點和要求，以DSP芯片TMS32028335作為主控制芯片，對加工數據進行運算處理，實現插補算法；以FPGA芯片EP2C8Q208C8N為輔助芯片， 利用FPGA芯片中的FIFO緩存處理好的加工信息，從而更好地滿足激光加工系統的實時性要求，最終實現具備多軸協調運動及對系統狀態(tài)實時監(jiān)控，并且可以獨立于PC機運行的控制器設計。

關鍵詞： DSP； FPGA； FIFO； 運動控制器； 激光加工

中圖分類號： TN911.7?34； TP271 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0135?03

Abstract： According to the characteristics and requests of laser?processing system， DSP chip TMS320F28335， as main control chip， is used to compute the processing data and realize the interpolation algorithm. By taking FPGA chip EP2C8Q208C8N as assistance， the processing information processed by FIFO buffer in FPGA chip EP2C8Q208C8N is utilized to meet the real?time requirements of laser?processing system. At last， the design of the controller which can execute multi?axis coordinated motion， system's real?time status monitoring and operation independent of PC was realized.

Keywords： DSP； FPGA； FIFO； motion controller； laser processing

在激光數控加工系統中，運動控制器的設計占據極其重要的位置，其性能的好壞影響到工件的加工質量。現在的激光數控加工系統中的運動控制器，大多數采用“PC機+運動控制卡”的模式[1?2]。然而，這類激光加工系統的控制器由PC機通過ISA總線或者PCI局部總線來實現直接對電機的控制，從而導致了激光加工系統過多依賴于PC機，使激光加工系統在脫離PC機后無法正常工作。而且，這類激光加工控制器的運動控制模塊和激光系統狀態(tài)監(jiān)控模塊獨立分開，集成度不高。為克服現有激光系統控制器的缺點，根據現有的控制器模式——“DSP+FPGA”模式[3?7]，筆者采用TI公司的TMS320F28335和ALTERA公司的EP2C8Q208C8N來實現一種集成度高，同時可獨立于PC機運行的集成激光控制器。

1 系統體系概述

集成控制器系統硬件平臺主要包括：主控模塊、通信接口模塊、外擴存儲器模塊、DAC模塊、機構狀態(tài)監(jiān)控模塊、電機控制信號接口模塊。系統可工作在手動模式和自動加工模式，當系統工作在手動模式時，控制器通過CAN總線接收來自PC機或工業(yè)觸摸屏的操作指令，對被控對象的相關參數進行設定及控制；當系統工作在自動加工模式時，控制器通過CAN總線接收來自PC機加工數據，根據加工信息進行速度處理和插補算法運算，從而生成插補脈沖給運動執(zhí)行單元及激光器的電源控制信號。而且，控制器在完成加工數據接收后，可以獨立于PC機而正常運行。

系統的核心芯片采用TI公司C2000系列具有32位浮點數處理單元的TMS320F2833和ALTERA公司的EP2C8Q208C8N。DSP主要對加工數據進行運算處理、對被控對象進行參數設定及生成控制信號；同時FPGA利用內部FIFO對來自DSP處理好的插補脈沖信息進行緩存并輸出、對系統的狀態(tài)信號進行監(jiān)控及實現其他相關邏輯控制。其中，DSP和FPGA通過XINTF接口進行信息交換，系統體系機構如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 DSP模塊外圍電路設計

TMS320F28335是TI公司TMS320C28X系列的一款具有32位浮點數處理單元的控制器。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術，最高主頻高達150 MHz，對應的指令周期為6.67 ns，低功耗（內核電壓為1.8 V，通用I/O口電壓為3.3 V），哈佛總線架構，統一存儲器編程模型，具有快速中斷響應和處理能力，具有超過2M×16 b尋址范圍的16位或32位外部接口（XINTF），可尋址空間達到4M×16 b，片內FLASH為256K×16 b，具有豐富的片上外設資源等[8]。

DSP模塊的外圍電路主要包括電源電路、存儲器擴展、通信接口、與FPGA連接接口及DAC電路。

2.1.1 電源電路設計

對于主控芯片DSP供電要求，TI的DSP采用了雙電源供電，其CPU內核電壓為1.8 V，接口電壓為3.3 V，根據電源的需求，在電源模塊的設計中采用TPS767D301芯片將5 V轉換得到1.8 V和3.3 V電壓分別供給DSP內核和DSP的I/O及拓展芯片。此外，采用A0515S?2W將5 V轉換得到±15 V給DAC7724芯片供電，同時采用AD578將±15 V轉換得到±10 V為DAC7724提供基準電源。

2.1.2 SRAM擴展

系統在加工數據運算處理過程中產生大量的臨時數據，如果這些數據都由DSP片內RAM來承擔的話，那么會增加DSP的負擔，因此采用CYPRESS公司的CY7C1061AV33?10ZXI對系統的數據存儲空間進行擴展，將其地址映射到DSP的ZONE7。CY7C1061AV33?10ZXI是1M×16 b的高性能CMOS靜態(tài)存儲器，基本上能夠滿足系統對數據空間要求。

2.1.3 FLASH擴展

由于系統的加工信息數據量很大，為了能夠實現激光系統加工的連續(xù)性，利用TMS320F28335的SPI接口擴展256 Mb的串行FLASH存儲器MX25L25635E。MX25L25635E是MACRONIX公司的可配置成標準4線的SPI總線接口，正常讀的速度達到50 MHz，工作電壓為2.7～3.6 V，可擦除/編程的次數達100 000次。

2.1.4 通信接口設計

通信接口包括RS 232接口和CAN總線接口，采用RS 232接口以實現對激光器進行參數設定及調試，利用芯片MAX232ACPE實現TTL電平到RS 232電平轉換；系統采用CAN接口來實現與PC機的通信，CAN總線強大的抗干擾能力保證了加工數據傳輸的可靠性[9]，選用芯片TJA1050作為CAN收發(fā)器。

2.1.5 DAC模塊設計

由于激光器能量的控制需要模擬電壓作為控制信號，而TMS320F28335內部沒有D/A轉換模塊，芯片的輸出只能是數字量，因此需要為控制器提供一個D/A模塊，以完成控制器上數字量到模擬量的轉換。選用TI公司型號為DAC7724的D/A轉換芯片，該芯片為12位并行、4通道的D/A轉換器轉化過程建立時間10 μs，能夠滿足控制精度及實時性的要求。

2.1.6 與FPGA接口設計

通過TMS320F28335的XINTF接口連接FPGA的I/O，在FPGA內部實現寄存器映射到DSP的ZONE0，從而使得TMS320F28335可以如同訪問其片上外設一樣快速方便地訪問FPGA，FPGA和DSP的連接如圖2所示。

2.2 FPGA模塊電路設計

EP2C8Q208C8N是ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列低成本FPGA中的一款，主要用于對成本敏感的系統設計。Cyclone Ⅱ系列FPGA是基于SRATIX的工藝架構，其內部有鎖相環(huán)，RAM模塊。EP2C8Q208C8N內部含有8 256個邏輯單元（LE）；138個通用I/O；36個M4K嵌入式RAM（每個RAM塊有4 608位），可以實現真正的雙端口、簡單雙端口，單端口RAM和FIFO，可以支持移位寄存器和ROM方式[10]。

FPGA主要實現的功能模塊有：系統狀態(tài)監(jiān)控模塊，碼盤反饋模塊、數據接口模塊及地址譯碼模塊。使用FPGA可以簡化外圍電路設計，同時解決了因TMS320F28335為3.3 V供電不能與5 V器件相兼容而導致的邏輯電平不兼容的問題。

2.2.1 系統狀態(tài)監(jiān)控模塊

系統狀態(tài)監(jiān)控模塊主要實現對系統各個規(guī)格的電源狀態(tài)及機械機構的極限狀況進行監(jiān)控；在該模塊中，為消除因抖動和干擾可能產生的誤判斷，首先通過FPGA內部的觸發(fā)器對輸入信號進行延時。當檢測到警告信號時，FPGA通過觸發(fā)DSP外部中斷來將警告情況告知主控制單元。

2.2.2 碼盤反饋模塊

碼盤反饋模塊主要完成誤計數抑制、計數及運動軸運動距離的記錄。為了消除因抖動和干擾產生的誤計數，需要對輸入的信號通過FPGA內部的觸發(fā)器進行延時，然后根據信號上升沿來進行計數和對移動軸位置記錄。

2.2.3 數據緩存模塊

數據緩存模塊主要利用FPGA內部的M4K實現FIFO緩存[11]，用于緩存DSP模塊處理好的插補信息，并在DSP的同步信號控制下，將緩存好的脈沖信息傳輸到被控對象，這樣可以很好地實現系統加工的連續(xù)性和實時性。

2.2.4 地址譯碼模塊

FPGA主要通過控制器的主控芯片的地址信號進行譯碼片選相應的外圍芯片，同時根據譯碼進行控制各運動軸的脈沖發(fā)生模塊及存儲反饋信號。

綜上所述，可得FPGA的內部結構框圖如圖3所示。

3 軟件設計

控制器的軟件設計主要完成加工指令的解析，接收來自PC機的加工數據，并對加工數據進行運算處理，實現插補算法[11?12]，當FPGA中FIFO有緩存空間時，則將處理好的插補脈沖信息寫到FIFO緩存中。同時，一旦系統出現故障警告，則對故障信息進行解析及進行相應的處理，并將系統狀態(tài)及故障警告信息通過CAN接口回饋給PC機和工業(yè)觸摸屏以便及時將故障信息顯示給用戶，其軟件流程如圖4所示。

4 結 語

系統的設計充分利用TMS320F28335高效的數據運算處理和FPGA靈活的硬件特性，設計了一種基于DSP和FPGA的激光加工系統控制器的硬件平臺，并實現了相應的軟件設計。目前，該控制器已經在實驗室的某臺激光加工系統中調試成功。實驗表明，此控制器設計方案很大程度提高了控制系統的執(zhí)行速度，集成度高，并且可以獨立于PC機而正常工作。

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