DSP+FPGA在高速高精運動控制器中的應用

運動控制卡已經在數控機床、工業機器人、醫用設備、繪圖儀、IC電路制造設備、IC封裝等領域得到了廣泛運用，取得了良好的效果。目前運動控制卡大部分采用8051系列的8位單片機，雖然節省了開發周期但缺乏靈活性，難以勝任高要求運作環境，而且運算能力有限。

DSP的數據運算處理功能強大，即使在很復雜的控制中，采樣周期也可以取得很小，控制效果更接近于連續系統。把DSP與PC的各自優勢結合將是高性能數控系統的發展趨勢。本運動控制器采用TI公司的高性能浮點DSP作為主控芯片，通過ISA接口與PC協調并進行數據交換，以PC計算機作為基本平臺，以DSP高速運動控制卡作細插補、伺服控制的核心，對直線電機的運動進行控制，取得了良好的實際應用效果。

1、高速高精運動控制卡的主要硬件構成

本運動控制系統的任務是控制直線電機的運動，要求4軸輸入和4軸輸出，采用光柵尺對輸入計數，16位并行高速DA輸出，運動定位精度要求達到10nm，響應時間<100ns。

高速直線電機是本系統的控制對象，它具有加速快（a>10g），運動速度高（v>300mm/s）的特點。要求控制系統有足夠短的響應時間（<100ns）和足夠高的定位精度（10nm級），因而系統的核心CPU的處理能力及運算能力必須滿足高速要求；此外，直線電機運動定位的核心是高精度的反饋控制裝置。直線電機的反饋控制裝置是光柵尺和高精度脈沖計數器，光柵尺發出與運動距離成線性關系的脈沖數，脈沖計數器的計數值表示直線電機當前的運動位置。經計算，計數長度為28位的計數器才能滿足定位的精度要求，同時計數頻率很高。一般的通用計數器參數無法達到，所以設計一個特殊計數器是必要的。為了方便設置目標點的運動參數，使運動控制卡具有比較好的人機交互功能，系統必須具有與PC機通信的功能。

綜合考慮上述要求，系統的設計采用DSP+FPGA的形式，由DSP主控芯片作為中央處理模塊，FPGA作為反饋計數模塊且負責板上的部分邏輯譯碼工作，PC通信接口模塊采用雙口RAM，輸出模塊用D/A轉換器實現,如圖1所示。

1.1DSP模塊

基于DSP的運動控制系統一般采用TI公司的TMS320C24x系列芯片，但24x系列是16位定點處理器，運算能力有限。不能滿足本系統規劃的高速高精要求，為此，我們選用了TI公司的TMS320C32DSP作為主控芯片。

TMS320C3X系列芯片是美國TI公司推出的第一代浮點DSP芯片，具有豐富的指令集、很高的運算速度、較大的尋址空間和較高的性價比，在各領域得到了廣泛的應用。TMS320C32是TMS320系列浮點數字信號處理器的新產品，在TMS320C30和TMS320C31的基礎上進行了簡化和改進。在結構上的改進主要包括可變寬度的存儲器接口、更快速的指令周期時間、可設置優先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發中斷方式等。

對TMS320C32的開發可以用匯編語言，也可以用C語言。使用匯編語言的優點在于運行速度快、可以充分利用芯片的硬件特性，但開發速度較慢，程序的可讀性差；而C語言的優勢在于編程容易、調試快速、可讀性好，可以大大縮短開發周期，但C語言對于其片內的沒有映射地址的特殊功能寄存器不能操作，如IF和IE，AR0～AR7等。