覃嘉恒（南通開放大學,江蘇 南通 226006）

基于DSP和FPGA的運動控制技術(shù)的研究

覃嘉恒
（南通開放大學,江蘇 南通 226006）

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

DSP;FPGA;運動控制技術(shù);研究

0 前言

在一個國家當中，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)，而一個國家工業(yè)發(fā)達程度的衡量標準，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，各種各樣的運動控制系統(tǒng)紛紛被應用在工業(yè)生產(chǎn)當中，極大的提高了生產(chǎn)效率。在實際應用中，基于DSP和FPGA的運動控制技術(shù)發(fā)揮了極大的作用。對此，應當加強對這方面技術(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的運動控制技術(shù)的設(shè)計目標

在運動控制技術(shù)的應用當中，數(shù)字式的控制方式主要是在開閉環(huán)控制電機的時候進行應用。其中，以直線光柵尺或旋轉(zhuǎn)編碼器中的Z相零位脈沖信號和A/B兩相正交脈沖信號作為位置反饋信號。運動系統(tǒng)當中，運動控制技術(shù)為主控單元，需要接收主機的運動指令塊或運動指令，同時反饋I/O狀態(tài)、位置、運行狀態(tài)的信息給主機。然后對接收到的指令加以執(zhí)行，對四軸電機進行PID調(diào)節(jié)、插補、速度、位置等運動控制。最后，在運動過程當中，還需要對相關(guān)于運動的通用和外部I/O信號進行并行處理[1]。

2 基于DSP和FPGA的運動控制技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)

在運動控制技術(shù)中，主要的功能芯片為DSP和FPGA。其中，DSP周圍進行了SRAM和Flash的擴展，進行數(shù)據(jù)和程序的存儲。一個CS片選信號能夠支持兩個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，進行了EPROM的配置，實現(xiàn)對下載程序的存儲。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存儲器，實現(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EPROM對數(shù)據(jù)進行存儲。

在該技術(shù)的應用當中，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信號電壓為3.3V，因此需要一個能夠?qū)煞N電壓進行同時輸出的電壓調(diào)整器。在使用當中，為了提高干擾抵抗效果，應當分別處理不同的輸入輸出信號[2]。例如，對于回零、減速、限位等低頻的外部機械輸入信號，可以通過普通光耦來隔離。對于輸出的方向信號、脈沖信號、輸入的編碼器信號等，可以利用高速光耦來隔離。同時，差分輸出光耦輸出的方向和脈沖，從而實現(xiàn)傳輸距離的提升。

3 地址空間的分配

在DSP當中，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。對于每一頁的選通信號，對各個功能區(qū)的尋址空間都有不同的分配。其中，在FPGA當中實現(xiàn)了譯碼電路，每個軸都相當于專用控制電路，能夠?qū)\動控制器進行單獨控制。定時器實際上是一個32位的計數(shù)器，能夠技術(shù)系統(tǒng)時鐘。思路模擬通道具有完全相同的功能，能夠?qū)δM輸出信號進行單獨控制。

4 主要芯片型號的選擇

對DSP進行利用，能夠高速處理實時信號。從性能角度來看，可根據(jù)動態(tài)和精度的范圍對通用DSP進行劃分，分別為浮點和定點的DSP。在實際應用中，DSP需對插補算法進行處理，對運算精度要求較高，同時需要數(shù)據(jù)的實時傳輸[3]。同時，對開發(fā)難易度、開發(fā)成本等因素進行考量，最終選取的DSP型號為TMS320VC33。該型號具有很多方面的特點，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、高性能浮點處理等。

對于FPGA來說，綜合考量開發(fā)成本、設(shè)計功能、供電電壓、器件資源等因素，選擇了XC2S300E型號。其中基于Virtex—E平臺的流線型結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)等都更為先進。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、四個延時鎖定環(huán)DLL、19中可選I/O標準等。由于在FPGA中應用了CMOS SRAM技術(shù)，因此需要上電再配置單元電路邏輯。在設(shè)計當中，應當配置EPROM給FPGA，用于對下載的程序進行存儲。

5 結(jié)論

基于DSP和FPGA的運動控制技術(shù)在當前工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域當中，具有十分重要的位置，對于社會經(jīng)濟的發(fā)展和進步都有著至關(guān)重要的影響。對此，應當首先明確運動控制技術(shù)的目標和總體結(jié)構(gòu)，對地址空間進行科學、合理的分配，最后根據(jù)實際需求，選擇最為合適的芯片型號，從而使基于DSP和FPGA的運動控制技術(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的多軸運動控制卡的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2013（04）:18-20.

[2]吳紅軍,皮佑國.基于DSP和FPGA的運動控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術(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)運動控制的設(shè)計與仿真[J].西安工業(yè)大學學報,2012（02）:130-134.