基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究

覃嘉恒（南通開放大學(xué),江蘇 南通 226006）

基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究

覃嘉恒
（南通開放大學(xué),江蘇 南通 226006）

在當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)中，核心通常是中央邏輯單元，信號(hào)敏感元件選擇使用傳感器，通過電機(jī)等動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元，對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行控制。在開放式的數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，其發(fā)揮著十分重要的作用。數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)各個(gè)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制是最重要的，控制裝置發(fā)出指令，運(yùn)動(dòng)控制器接收并執(zhí)行該指令，對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行控制。采用基于DSP和FPGA運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，能夠有效的提高速度調(diào)節(jié)、控制精度等性能指標(biāo)，從而提高控制效果。

DSP;FPGA;運(yùn)動(dòng)控制技術(shù);研究

0 前言

在一個(gè)國(guó)家當(dāng)中，工業(yè)的基礎(chǔ)是制造業(yè)，制造業(yè)的技術(shù)支柱是制造技術(shù)，而一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，就是制造業(yè)發(fā)展水平的高低。隨著科技的不斷發(fā)展，我國(guó)傳統(tǒng)的制造業(yè)正在經(jīng)歷著十分重要的變革，生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等都發(fā)生了很大的變化，各種各樣的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)紛紛被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，極大的提高了生產(chǎn)效率。在實(shí)際應(yīng)用中，基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)揮了極大的作用。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)這方面技術(shù)的研究力度，使其能夠不斷的完善和成熟，從而發(fā)揮出更大的效果。

1 基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)中，數(shù)字式的控制方式主要是在開閉環(huán)控制電機(jī)的時(shí)候進(jìn)行應(yīng)用。其中，以直線光柵尺或旋轉(zhuǎn)編碼器中的Z相零位脈沖信號(hào)和A/B兩相正交脈沖信號(hào)作為位置反饋信號(hào)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)為主控單元，需要接收主機(jī)的運(yùn)動(dòng)指令塊或運(yùn)動(dòng)指令，同時(shí)反饋I/O狀態(tài)、位置、運(yùn)行狀態(tài)的信息給主機(jī)。然后對(duì)接收到的指令加以執(zhí)行，對(duì)四軸電機(jī)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)、插補(bǔ)、速度、位置等運(yùn)動(dòng)控制。最后，在運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中，還需要對(duì)相關(guān)于運(yùn)動(dòng)的通用和外部I/O信號(hào)進(jìn)行并行處理[1]。

2 基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)

在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中，主要的功能芯片為DSP和FPGA。其中，DSP周圍進(jìn)行了SRAM和Flash的擴(kuò)展，進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)。一個(gè)CS片選信號(hào)能夠支持兩個(gè)SRAM和Flash，構(gòu)成高低雙字32位數(shù)據(jù)總線，從而使Memory和DSP的訪問速度提升。在FPGA中，進(jìn)行了EPROM的配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)下載程序的存儲(chǔ)。PCI總線控制器用來連接PCI接口芯片和DSP局部總線，其中含有雙口共享的128KB存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在PCI系統(tǒng)總線和DSP局部總線中的交換。另外，在其中還配備了一個(gè)EPROM對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

在該技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)中，采用了低電壓、低能耗的DSP和FPGA器件，內(nèi)核電壓為1.8V，I/O信號(hào)電壓為3.3V，因此需要一個(gè)能夠?qū)煞N電壓進(jìn)行同時(shí)輸出的電壓調(diào)整器。在使用當(dāng)中，為了提高干擾抵抗效果，應(yīng)當(dāng)分別處理不同的輸入輸出信號(hào)[2]。例如，對(duì)于回零、減速、限位等低頻的外部機(jī)械輸入信號(hào)，可以通過普通光耦來隔離。對(duì)于輸出的方向信號(hào)、脈沖信號(hào)、輸入的編碼器信號(hào)等，可以利用高速光耦來隔離。同時(shí)，差分輸出光耦輸出的方向和脈沖，從而實(shí)現(xiàn)傳輸距離的提升。

3 地址空間的分配

在DSP當(dāng)中，地址總線由24根，數(shù)據(jù)總線由32根，其中兩根最高位的地址線可以將DSP地址空間分為四頁。對(duì)于每一頁的選通信號(hào)，對(duì)各個(gè)功能區(qū)的尋址空間都有不同的分配。其中，在FPGA當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了譯碼電路，每個(gè)軸都相當(dāng)于專用控制電路，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行單獨(dú)控制。定時(shí)器實(shí)際上是一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器，能夠技術(shù)系統(tǒng)時(shí)鐘。思路模擬通道具有完全相同的功能，能夠?qū)δM輸出信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)控制。

4 主要芯片型號(hào)的選擇

對(duì)DSP進(jìn)行利用，能夠高速處理實(shí)時(shí)信號(hào)。從性能角度來看，可根據(jù)動(dòng)態(tài)和精度的范圍對(duì)通用DSP進(jìn)行劃分，分別為浮點(diǎn)和定點(diǎn)的DSP。在實(shí)際應(yīng)用中，DSP需對(duì)插補(bǔ)算法進(jìn)行處理，對(duì)運(yùn)算精度要求較高，同時(shí)需要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[3]。同時(shí)，對(duì)開發(fā)難易度、開發(fā)成本等因素進(jìn)行考量，最終選取的DSP型號(hào)為TMS320VC33。該型號(hào)具有很多方面的特點(diǎn)，例如支持JTAG芯片掃描仿真、兼容PCI總線和3.3VI/ O電壓、24根地址線和32根數(shù)據(jù)線、片內(nèi)為1.1MB的SRAM、高性能浮點(diǎn)處理等。

對(duì)于FPGA來說，綜合考量開發(fā)成本、設(shè)計(jì)功能、供電電壓、器件資源等因素，選擇了XC2S300E型號(hào)。其中基于Virtex—E平臺(tái)的流線型結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)等都更為先進(jìn)。相比于其它的FPGA，提供了更多的功能塊、I/O口、門等。其中的功能塊主要包括分散RAM和塊RAM、四個(gè)延時(shí)鎖定環(huán)DLL、19中可選I/O標(biāo)準(zhǔn)等。由于在FPGA中應(yīng)用了CMOS SRAM技術(shù)，因此需要上電再配置單元電路邏輯。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)配置EPROM給FPGA，用于對(duì)下載的程序進(jìn)行存儲(chǔ)。

5 結(jié)論

基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域當(dāng)中，具有十分重要的位置，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步都有著至關(guān)重要的影響。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)首先明確運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的目標(biāo)和總體結(jié)構(gòu)，對(duì)地址空間進(jìn)行科學(xué)、合理的分配，最后根據(jù)實(shí)際需求，選擇最為合適的芯片型號(hào)，從而使基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)能夠發(fā)揮出最為理想的效果。

[1]鄭曉峰,方凱,黃迎華.一種基于DSP和FPGA的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013（04）:18-20.

[2]吳紅軍,皮佑國(guó).基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011（02）:75-77+82.

[3]尚雅層,雷兵豐,來躍深.基于DSP和FPGA的開放式數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)與仿真[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012（02）:130-134.