单片机与DSP中的采用DSP和FPGA构建高速高精运动控制器
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2020-12-08
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单片机与单片机与DSP中的采用中的采用DSP和和FPGA构建高速高精运动控制器构建高速高精运动控制器
数字信号处理器具有高效的数值运算能力，并能提供良好的开发环境，而可编程逻辑器件具有高度灵活的可配
置性。本文描述了通过采用TMS320C32浮点DSP和可编程逻辑器件(FPGA)的组合运用来构成高速高精运动控
制器，该系统通过B样条插值算法对运动曲线进行平滑处理以及运用离散PID算法对运动过程加以控制。 运
动控制卡已经在数控机床、工业机器人、医用设备、绘图仪、IC电路制造设备、IC封装等领域得到了广泛运
用，取得了良好的效果。目前运动控制卡大部分采用8051系列的8位单片机，虽然节省了开发周期但缺乏灵活
性，难以胜任高要求运作环境，而且运算能力有限。 DSP的数据运算处理功能强
数字信号处理器具有高效的数值运算能力，并能提供良好的开发环境，而可编程逻辑器件具有高度灵活的可配置性。本文
描述了通过采用TMS320C32浮点DSP和可编程逻辑器件(FPGA)的组合运用来构成高速高精运动控制器，该系统通过B样条插
值算法对运动曲线进行平滑处理以及运用离散PID算法对运动过程加以控制。
运动控制卡已经在数控机床、工业机器人、医用设备、绘图仪、IC电路制造设备、IC封装等领域得到了广泛运用，取得了
良好的效果。目前运动控制卡大部分采用8051系列的8位单片机，虽然节省了开发周期但缺乏灵活性，难以胜任高要求运作环
境，而且运算能力有限。
DSP的数据运算处理功能强大，即使在很复杂的控制中，采样周期也可以取得很小，控制效果更接近于连续系统。把
DSP与PC的各自优势结合将是高性能数控系统的发展趋势。本运动控制器采用TI公司的高性能浮点DSP作为主控芯片，通过
ISA接口与PC协调并进行数据交换，以PC计算机作为基本平台，以DSP高速运动控制卡作细插补、伺服控制的核心，对直线
电机的运动进行控制，取得了良好的实际应用效果。
1. 高速高精运动控制卡的主要硬件构成高速高精运动控制卡的主要硬件构成
本运动控制系统的任务是控制直线电机的运动，要求4轴输入和4轴输出，采用光栅尺对输入记数，16位并行高速DA输
出，运动定位精度要求达到10nm，响应时间<100ns。
高速直线电机是本系统的控制对象，它具有加速快(a>10g)，运动速度高(v>300mm/s)的特点。要求控制系统有足够短的
响应时间(<100ns)和足够高的定位精度(10nm级)，因而系统的核心CPU的处理能力及运算能力必须满足高速要求；此外，直
线电机运动定位的核心是高精度的反馈控制装置。直线电机的反馈控制装置是光栅尺和高精度脉冲计数器，光栅尺发出与运动
距离成线性关系的脉冲数，脉冲计数器的计数值表示直线电机当前的运动位置。经计算，计数长度为28位的计数器才能满足
定位的精度要求，同时计数频率很高。一般的通用计数器参数无法达到，所以设计一个特殊计数器是必要的。为了方便设置目
标点的运动参数，使运动控制卡具有比较好的人机交互功能，系统必须具有与PC机通信的功能。
综合考虑上述要求，系统的设计采用DSP+FPGA的形式，由DSP主控芯片作为中央处理模块，FPGA作为反馈计数模块
且负责板上的部分逻辑译码工作，PC通信接口模块采用双口RAM，输出模块用D/A转换器实现,如图1所示。
1.1 DSP模块模块
基于DSP的运动控制系统一般采用TI公司的TMS320C24x系列芯片，但24x系列是16位定点处理器，运算能力有限。不能
满足本系统规划的高速高精要求，为此，我们选用了TI公司的TMS320C32 DSP作为主控芯片。
TMS320C3X系列芯片是美国TI公司推出的第一代浮点DSP芯片，具有丰富的指令集、很高的运算速度、较大的录址空间
和较高的性价比，在各领域得到了广泛的应用。TMS320C32是TMS320系列浮点数字信号处理器的新产品，在TMS320C30和
TMS320C31的基础上进行了简化和改进。在结构上的改进主要包括可变宽度的存储器接口、更快速的指令周期时间、可设置
优先级的双通道DMA处理器、灵活的引导程序装入方式、可重新定位的中断向量表以及可选的边缘/电平触发中断方式等。
对TMS320C32的开发可以用汇编语言，也可以用C语言。使用汇编语言的优点在于运行速度快、可以充分利用芯片的硬
件特性，但开发速度较慢，程序的可读性差；而C语言的优势在于编程容易、调试快速、可读性好，可以大大缩短开发周期，
但C语言对于其片内的没有映射地址的特殊功能寄存器不能操作，如IF和IE，AR0?AR7等。
1.2 FPGA模块模块
该部分主要功能为一个4通道的针对光栅尺的脉冲计数器，此外，还承担部分地址译码的工作。但由于脉冲计数频率高，
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