李 鳴

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)光源在光軌上運(yùn)行，要求運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、重復(fù)定位精度高。系統(tǒng)采用光柵反饋位移信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，有著良好的的位移、定位精度。設(shè)計(jì)中MCU完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算、控制驅(qū)動(dòng)、通信功能，利用CPLD器件速度快、程序設(shè)計(jì)靈活、抗干擾能力強(qiáng)、與外圍電路接口方便等特點(diǎn)，集成設(shè)計(jì)了光柵采樣、數(shù)據(jù)鎖存、程控變頻、運(yùn)行警戒等硬件電路。這樣提高了CPU的管理效率，也增強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的實(shí)時(shí)性[1-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)上位機(jī)開放了2種控制功能：

（1）MCU對(duì)CPLD存儲(chǔ)的光柵信息和運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為ASCII碼后，通過(guò)串行接口傳送至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理后，反饋控制指令。MCU收到指令后進(jìn)行解碼，根據(jù)指令要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（2）系統(tǒng)備有十級(jí)調(diào)速檔，速度檔與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。當(dāng)收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制位移量后，MCU將ASCII碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，通過(guò)模糊運(yùn)算，并甄別當(dāng)前位置狀態(tài)后自動(dòng)控制運(yùn)行。

控制系統(tǒng)除具備上位機(jī)控制功能外，針對(duì)長(zhǎng)距離的設(shè)備安裝、調(diào)試等，輔助設(shè)計(jì)有遙控控制功能。遙控能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、停車、增速、減速等速度控制功能，對(duì)于較長(zhǎng)距離的裝置檢修、調(diào)試十分方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖1[6]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(diǎn)是兼容MCS-51/52指令系統(tǒng)，+5V工作電壓，工作頻率0～40MHz，內(nèi)部RAM 1K，內(nèi)含2塊高性能Super Flash存儲(chǔ)器（EEPROM），主存儲(chǔ)塊32K，次存儲(chǔ)塊8K，支持最大64K的外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，全雙工增強(qiáng)型串行通信口（UART），8個(gè)中斷源，4個(gè)優(yōu)先級(jí)，帶內(nèi)部可編程看門狗（WDT），可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA），降低EMI模式，雙DPTR指針，支持掉電檢測(cè)。

2.2 CPLD結(jié)構(gòu)與性能

CPLD （complex programmable logic device）與FPGA（field programmable gate array）均屬超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?。設(shè)計(jì)采用了Altera公司生產(chǎn)的MAX7128S器件，其結(jié)構(gòu)是將多個(gè)可編程陣列器件集成到一個(gè)芯片內(nèi)，CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包含3個(gè)部分，分別為可編程邏輯陣列塊（LAB）、可編程互聯(lián)陣列（PIA）、可編程I/O控制模塊，基本結(jié)構(gòu)是宏單元，包括邏輯陣列、16乘積項(xiàng)選擇矩陣和可編程觸發(fā)器3種功能塊，每16個(gè)宏單元組成一個(gè)LAB，所有邏輯塊都連接到同一個(gè)可編程互聯(lián)陣列（PIA）。由于CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。其特性是編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)。

圖2 MAX7128S的結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

利用SST89E58RD2內(nèi)部的豐富資源和CPLD設(shè)計(jì)靈活的特性，這樣就構(gòu)成了系統(tǒng)體積小、功能強(qiáng)且有很高性價(jià)比的控制系統(tǒng)。

控制電路原理圖如圖3，MCU通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線與CPLD內(nèi)部8位數(shù)據(jù)總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(nèi)部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，WR控制線（有效）將數(shù)據(jù)/指令送入相應(yīng)工作單元或?qū)?yīng)I/O控制口線。

圖3 控制電路示意圖

CPLD內(nèi)部電路設(shè)計(jì)有地址譯碼器，地址譯碼器用于識(shí)別組件單元、I/O口線等。對(duì)光柵傳感器信號(hào)設(shè)計(jì)有判相、倍頻電路、計(jì)數(shù)器、鎖存器等?？刂乞?qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有程控分頻器、脈沖輸出、方向控制等。輔助設(shè)計(jì)有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、限位甄別等。CPLD內(nèi)部控制電路原理圖如圖4所示[7-8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

（1）將數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)，內(nèi)容包括位移值、限位傳感器信號(hào)、節(jié)點(diǎn)信息、速度控制狀態(tài)。

圖4 CPLD內(nèi)部電路原理圖

（2）運(yùn)動(dòng)控制包括行進(jìn)方向、步進(jìn)電機(jī)工作頻率、啟動(dòng)、停止。

（3）位移控制包括按絕對(duì)坐標(biāo)運(yùn)行和按相對(duì)坐標(biāo)運(yùn)行。絕對(duì)坐標(biāo)運(yùn)行是指從當(dāng)前位置運(yùn)行至指定位置。相對(duì)坐標(biāo)運(yùn)行是指從當(dāng)前位置運(yùn)行至當(dāng)前所在坐標(biāo)+位移值（或當(dāng)前所在坐標(biāo)值-位移值）。

（4）在位移控制方式，軟件能通過(guò)位移變化量，經(jīng)模糊運(yùn)算反饋速度輸出。

（5）控制系統(tǒng)內(nèi)十檔速度參數(shù)可由上位機(jī)設(shè)置。

（6）根據(jù)以上要求提出程序設(shè)計(jì)思想。

控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

程序設(shè)計(jì)由匯編語(yǔ)言（assembly language）實(shí)現(xiàn)，程序包括主程序和中斷程序。主程的一個(gè)控制流程，首先對(duì)指令標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有指令標(biāo)志時(shí)，則按照指令轉(zhuǎn)到相應(yīng)分支程序執(zhí)行動(dòng)作，控制指令由中斷程序接收。當(dāng)指令動(dòng)作執(zhí)行完畢，則清除指令標(biāo)志，等待接收下一次控制指令。當(dāng)未有指令標(biāo)志時(shí)，程序?qū)?zhí)行光柵數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息采集，然后將采集的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)處理后送至指定單元，啟動(dòng)發(fā)送，將數(shù)據(jù)由串口傳送至上位機(jī)[9-10]。

為傳送一組完整的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)通信后設(shè)置通信標(biāo)志，當(dāng)程序循環(huán)至此時(shí)，對(duì)通信標(biāo)志進(jìn)行判斷。如通信標(biāo)志“忙”表示該組數(shù)據(jù)未傳送完畢，跳過(guò)執(zhí)行；如通信標(biāo)志“閑”表示數(shù)據(jù)已傳送完畢，可以進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送。至此，主程序的一個(gè)控制流程結(jié)束，返回至指令標(biāo)志判斷。程序設(shè)計(jì)流程圖見圖5。

利用中斷處理具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，將SST89E58RD2串口中斷作為與上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，外部中斷0（INT0）作為CPLD對(duì)遙控信號(hào)解碼完成后的指令觸發(fā)。當(dāng)串口中斷發(fā)生時(shí)，在中斷程序中將上位機(jī)指令通過(guò)處理后送至指令單元，并設(shè)置指令標(biāo)志，串口中斷程序結(jié)束。

圖5 主程序設(shè)計(jì)流程圖

外部中斷0產(chǎn)生中斷時(shí)，通過(guò)調(diào)取CPLD的解碼單元，經(jīng)處理后送指令單元，同時(shí)設(shè)置指令標(biāo)志，INT0中斷程序結(jié)束。中斷程序流程圖見圖6

圖6 中斷程序設(shè)計(jì)流程圖

CPLD編程采用Altera公司的Quartus II10.1設(shè)計(jì)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（altera hardware description language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式。該文采用原理圖設(shè)計(jì)形式，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（AHDL、VHDL、Verilog)轉(zhuǎn)換原理圖，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)[11-12]。

4 系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)與分析

在測(cè)試系統(tǒng)中，光柵柵距為0.05mm，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的步進(jìn)電機(jī)57HB76-306和與其配套的驅(qū)動(dòng)器YKA2304MA，驅(qū)動(dòng)器的最高工作頻率200 kHz，64細(xì)分。系統(tǒng)中使用的時(shí)鐘頻率為20MHz，經(jīng)分頻后送至驅(qū)動(dòng)器。按照系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音的技術(shù)要求應(yīng)首先調(diào)整分頻系數(shù)，并以此作為設(shè)備運(yùn)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(xiàng)目應(yīng)用中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件，調(diào)試確定的速度/頻率關(guān)系見表1，計(jì)算機(jī)操作界面見圖7。

表1 速度與頻率關(guān)系及頻率系數(shù)

表2 控制速度與位移關(guān)系

圖7 計(jì)算機(jī)控制界面示意圖

然后，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制指令進(jìn)行測(cè)試，如前進(jìn)、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(guān)系，測(cè)試中采用計(jì)算機(jī)做閉環(huán)控制，位移距離設(shè)為2000mm，按表1速度檔分別測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。由控制速度與位移關(guān)系，建立速度-位移關(guān)系模型。利用MCU+CPLD控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快的特性，將每次采集的位移變化量，經(jīng)模糊運(yùn)算處理后反饋速度輸出。經(jīng)測(cè)試，在8m長(zhǎng)光軌上，輸入任意位置后控制運(yùn)行，其設(shè)置位移與實(shí)際位移的偏差均在≤0.1mm范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

CPLD的高度集成化和大容量設(shè)計(jì)，不僅完成了脈沖計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)、I/O控制等功能，還可將控制運(yùn)算程式用硬件方式設(shè)計(jì)于數(shù)字系統(tǒng)。這對(duì)于控制環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，替代由CPU完成運(yùn)算后再反饋的處理方式，其實(shí)時(shí)性和抗干擾能力均有很大的提高。在實(shí)際應(yīng)用中，基于CPLD+MCU的閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、開發(fā)周期短、響應(yīng)速度快、可靠性好，有著很好的產(chǎn)品應(yīng)用前景。

[1]許俊巧，李鍵，金晶，等.利用單片機(jī)形成的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2005（4）：21-25.

[2]李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]李翠敏，高有行.用寄存器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度控制[J].微特電機(jī)，2003，31（5）：31-32.

[4]郭軍團(tuán)，高有行，范慧敏，等.基于單片機(jī)的光柵測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（26）：423-426.

[5]劉帥，祖靜，張紅艷.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（4）：38-40.

[6]李穎，張伏生，張志勇.基于X-Y控制平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)[J].微電機(jī)，2005，38（2）：50-52.

[7]董秀潔，楊艷，周游.FPGA/CPLD選型與設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].化工自動(dòng)化及儀表，2009，36（3）：60-63.

[8]高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[9]何立民.單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[10]黃向慧.基于高速單片機(jī)控制的位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2006（4）：44-45.

[11]張弘.USB接口設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[12]劉森，慕春棣.基于可編程邏輯器件的嵌入式系統(tǒng)硬件原型設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（2）：20-22.