由于DSP將超強的高速實時處理能力和豐富的外設功能集于一身，目前，以DSP為核心的嵌入式運動控制器已經成為開放式運動控制器的發(fā)展主流，并獲得廣泛的應用。本文通過對運動控制器基本功能的研究，在分析、消化已有的基于DSP的運動控制器硬件資源基礎上，開發(fā)了運動控制器的軟件系統(tǒng)，詳細介紹了運動控制器的軟件設計。

　　1 運動控制器硬件結構

　　本運動控制器的硬件結構主要分為如下幾個模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心 模塊和 CPLD 驅動與擴展模塊；通信接口模塊，包括 PCI 總線、USB 總線和串口；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲器模塊，包括 SRAM 和 FLASH。本運動控制器的硬件結構如圖 1 所示。

　　　　　　　　　　　　　　　圖1 運動控制器硬件結構圖

　　1.1 DSP+CPLD 主控模塊

　　本系統(tǒng)采用了 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 為控制核心，這是工業(yè)界首批 32 位的控制 專用、內含 FLASH 以及高達 150MHz 主頻的數字信號處理器，專門為工業(yè)自動化、光學網絡及自動化控制等應用而設計的。TMS320F2812  采用哈佛總線結構，有獨立的程序和數據空間；具有很強的運算能力，能夠實時地處理許多復雜的控制算法；片上內存豐富，可支持45 個外設級中斷和 3 個外部中斷，提取中斷向量和保存現場只需 9 個時鐘周期，響應迅速； 片上集成了多種先進的外設，包括兩個事件管理器（EV）、12  位  A/D、兩個串行通信接口（SCI）、一個串行外圍接口（SPI）以及一個多通道緩沖串行接口（McBSP）等；其通用輸 入/輸出多路復用器（GPIO）擁有多達 56 個 I/O 口，在系統(tǒng)的軟件開發(fā)中正是利用了這些豐富的內外設資源，才實現了系統(tǒng)要求的各種功能。

　　本系統(tǒng)中選用的 CPLD 是 Altera 公司 MAX3000A 系列的 EPM3128，這是一款高性能、 低功耗的基于 EEPROM 的 PLD。由于本系統(tǒng)的控制對象是步進電機，所以設計中主要利用TMS320F2812 的 GPIO 口進行電機控制接口與 I/O 接口的輸入輸出，但是由于 TMS320F2812是低功耗處理器，其 GPIO 引腳的輸出驅動能力有限，而且由于 DSP 是主控核心，負載比 較多，所以將所有輸出信號都經過 CPLD 驅動后輸出，提高信號的驅動能力。此外，CPLD還用于系統(tǒng)電路的譯碼，增加系統(tǒng)設計的靈活性和可擴展性。

　　1.2 通信接口模塊

　　本系統(tǒng)在用作插卡式運動控制時利用 PCI 總線實現 DSP 與 PC 的通信。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯）總線是 Intel 公司聯合其他 100 多家公司于 1992 年推 出的基于新一代處理器的一種局部總線，是一種高性能  32/64  位數據/地址復用總線，能為 CPU 及外設提供高性能數據。PCI 總線具有嚴格的規(guī)范，目前已經發(fā)布了 PCI V1.0 和 V2.1規(guī)范，保證了其良好的兼容性；PCI 總線與 CPU 無關，與時鐘頻率也無關，可適用于各種平臺，支持多處理器和并發(fā)工作；PCI 總線可以提供極高的數據傳輸速率，還具有良好的擴 展性。因此，PCI 總線在基于計算機總線的運動控制系統(tǒng)，即“PC+運動控制器”的結構中應用十分廣泛。

　　本系統(tǒng)選用 CYPRESS 公司的 CY7C68001 芯片實現 PC 機和 DSP 之間的 USB 通信。CY7C68001 是通用 USB2.0 接口控制器，它是基于應用層編程的接口器件，相對于其它基于 鏈路層編程的接口器件，使用和開發(fā)都很方便。本系統(tǒng)采用 DSP 片上的 SCI 串行通信模塊以及 MAX232 芯片轉換成標準 RS-232 的通 信信號，實現正常的串口通信。

　　1.3 I/O 輸入輸出接口模塊

　　本系統(tǒng)的輸入/輸出是通過 CPLD 的邏輯控制來實現的，以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設 計柔性。考慮到運動控制器的可擴展性以及 DSP 的 GPIO 引腳的數量，共設計了 16 路數字量輸出通道和 16 路數字量輸入通道。數字量輸出通道主要用于各軸方向、脈沖信號的輸出以及一些外部設備的啟?？刂?，如主軸及冷卻液的開關控制等；數字量輸入通道可根據用戶 具體要求來定義其用途，如作為傳感器接口，用于零點、限位信號的輸入等。為提高系統(tǒng)應用的靈活性，系統(tǒng)輸出采用了普通輸出和差分輸出兩種方式，具體使用可由用戶自行設定。

　　1.4 外圍存儲器模塊

　　TMS320F2812 芯片內部包括 128KB 的 FLASH 和 18KB 的 SARAM，其中 128KB 的FLASH  用來存儲系統(tǒng)軟件程序已經足夠，但是在實際使用中，考慮到運動控制指令和加工程序需要通過 USB 總線或 PCI 總線下載到運動控制器中，且 DSP 在工作過程中需要處理大 量的數據，僅依靠 DSP  芯片內部的存儲空間遠遠不夠，所以考慮外擴一片 FLASH  和一片SRAM 作為用戶加工程序存儲器和系統(tǒng)的工作存儲器，它們通過 CPLD 完成與 DSP 之間的讀寫操作。

　　本系統(tǒng)選用了 Intel 公司的 E28F128 FLASH 和 ISSI 公司的 IS61LV51216SRAM。E28F128 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8MB  FLASH，其讀寫訪問時間為 150ns，此讀寫周期已經 大于 DSP 對外部端口的讀寫周期，為了能夠和 DSP 的讀寫周期進行匹配，在對 FLASH 進 行讀寫操作過程中必須插入等待周期。IS61LV51216 是一種高速異步靜態(tài) 512KB 的 SRAM， 其讀寫周期為 10ns，與 DSP 之間可以無需插入等待周期便可以進行讀寫操作，并可以直接映射到 DSP 外部存儲接口的 Zone2 或者 Zone6 區(qū)域。

　　2 運動控制器軟件結構

　　2.1 系統(tǒng)軟件功能設計

　　運動控制器通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產中，它的功能是由硬件和軟件共同實現的硬件為軟件運，行提供了支撐環(huán)境，軟件負責實現系統(tǒng)要求的所有功能。本系統(tǒng)軟件需要完成控制和管理兩大任務，圖 2 表示的是其軟件功能結構。

　　　　　　　　　　　　　　圖2 運動控制器軟件功能結構圖

　　其中，系統(tǒng)的控制包括位置控制、插補、速度處理和開關量 I/O 控制等，這類任務的實 時性很強，所以軟件程序的優(yōu)先級也較高；系統(tǒng)的管理包括人機界面顯示、參數設置和程序 下載等，這類任務的實時性要求不高，所以軟件程序的優(yōu)先級也相對較低?？梢哉f，一個運 動控制系統(tǒng)的基本功能均由上述功能的子程序實現，通過增加子程序可進一步增加系統(tǒng)的功 能。

　　要實現這些功能，必須做好運動控制器的軟件規(guī)劃，劃分各個功能模塊，才能在  DSP 芯片上設計運行程序。本系統(tǒng)軟件主要分為兩個層次，包括 PC 層軟件和 DSP 層軟件，其中PC  層軟件在單板式運動控制中主要實現加工程序的傳輸和下載等功能；在插卡式運動控制中，除此之外，還需實現加工情況顯示、加工命令發(fā)送等人機交互界面的功能。 運動控制器的主要功能由 DSP 層完成，本課題的主要任務也是 DSP 層軟件的程序實現，具體包括：

　　1．運動控制 運動控制功能是運動控制器的主要功能，包括位置控制、插補和輔助功能的輸入輸出I/O 控制。本系統(tǒng)基本功能是實現 XYZ 三軸的運動控制，包括三軸聯動的直線插補運動和任意兩軸圓弧插補運動，可以實現步進電機的運動控制，提供單脈沖（即脈沖＋方向）和雙脈 沖（即脈沖+脈沖）兩種控制方式。

　　2．速度控制 速度控制即調速，利用加減速算法，實現系統(tǒng)的平穩(wěn)運動。系統(tǒng)設計空行程時的運動速度不小于 100KHz，加工過程中的插補運動速度不小于 40KHz；當脈沖當量為 2.5 微米時可達到的空行程和加工的最高速度分別為 15m/min 和 6m/min。

　　3．通信功能 運動控制器不是一個孤立封閉的系統(tǒng)，它必須和外界交換數據，主機通信主要完成兩個 任務：一個是程序的下載，另一個是控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋。根據單板式控制和插卡式控制兩種不同的應用，分別有不同的通信方式。其中，在單板式控制中，通過  USB總線進行程序下載而通過串口進行控制指令的發(fā)送和加工狀態(tài)的反饋；在插卡式控制中，兩種任務都是由  PCI  總線來完成。本系統(tǒng)的多用性特點主要體現在通信方式的不同上，支持PCI 總線方式、USB 總線方式以及異步串行總線方式，供用戶自由選擇。

　　4．參數設置 作為開放式運動控制器，應該允許用戶對控制系統(tǒng)的各運動參數進行實時調整與修改。

　　本系統(tǒng)設計將各參數存放在 FLASH 中，允許用戶通過人機界面對參數進行修改，修改后的參數將在下次操作中起作用。

　　2.2 系統(tǒng)軟件層次設計

　　DSP軟件采用模塊化和層次化的設計思路，為使結構清晰，整個系統(tǒng)軟件按功能群分割為多個文件分別處理和完成相應的任務，主要分為三個層次：

　　1 主控層：不涉及具體操作，只負責各個任務調度、中斷安排、時間和優(yōu)先級處理等， 主控層只有一個文件  main.c，包括主函數和中斷函數，在主函數和中斷函數中調用算法層的函數來實現系統(tǒng)的各個功能。

　　2 算法層：負責具體任務執(zhí)行，控制算法實現，系統(tǒng)的主要功能都在算法層實現，包 含的模塊由系統(tǒng)要求的各個功能來決定，算法層主要用以實現運動控制、速度控制和系統(tǒng)管理等功能，各模塊之間通過標志位來聯系，不互相調用。

　　3 接口層：負責與硬件的接口，所有與外設有關的操作都在該層進行處理，接口層中 包括 DSP 硬件資源的定義、系統(tǒng)硬件的驅動等。除接口層外，系統(tǒng)其它層的程序禁止直接對外設進行操作，接口層直接對外設進行操作的函數盡可能做到功能完善。 綜上所述，本系統(tǒng)根據以上功能和層次進行軟件設計并遵循以下原則：

　?。?）全局性：盡量保證系統(tǒng)各模塊負載均衡；

　?。?）正確性：數學推導嚴密，盡可能利用試驗驗證；

　?。?）結構化：軟件設計做到層次化、模塊化、封裝化；

　?。?）規(guī)范性：保證程序的易讀性、移植性和可維護性。

　　3 小結:

　　本文作者創(chuàng)新點是運動控制是數控技術的核心，近年來，隨著開放式數控系統(tǒng)的發(fā)展， 開放式運動控制器也得到了前所未有的發(fā)展。運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類標準部件，已經被越來越多的產業(yè)領域接受，并形成了令人矚目的市場規(guī)模。本文介紹了運動控制器的總體設計方案，包括運動控制器的硬件平臺以及軟件設計思路。