一种嵌入式运动控制器的实现

本文选用DSP与FPGA作为运动控制器的核心部件，设计了通用型运动控制器。其中DSP用于运动轨迹规划、速度控制及位置控制等功能;FPGA完成运动控制器的精插补功能，用于精确计算步进电机或伺服驱动元件的控制脉冲，同时接收并处理脉冲型位置反馈信号。本文对该运动控制器的总体结构、硬件设计和软件设计进行了描述。

　　1 系统总体设计

　　运动控制器的总体性能指标为：作为一个单独的运动控制器使用，控制信号采用数字量方式输出，能控制四轴的伺服电机;最高脉冲输出频率为4MP/s，能处理的编码器反馈信号最高频率为4MP/s;能接收和处理4路编码器反馈信号;可以处理原点信号、正负方向信号、到位信号以及急停信号等数字量输入信号;提供16路数字量输出信号和16路数字量输入信号接口。运动控制器采用DSP与FPGA芯片作为主控芯片，主要包括DSP模块、FPGA模块、FPGA外围电路模块和数字量输入输出接口模块。

　　采用基于DSP与FPGA的运动控制器，能够实时完成复杂的轨迹运算，而且利用DSP的高速数字信号处理功能和FPGA功耗低、主频高的优点，能充分显示该运动控制器的优点。采用DSP与FPGA相结合的运动控制器可以方便地对系统的控制策略进行修改，对控制参数进行修正，并可使设备具有良好的可靠性、可维修性，而且还降低了成本。系统还可以采用更多的智能控制策略，结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，能够提高算法效率，且易于维护和扩展。总体设计方案原理框图如图1所示。

　　

 

　　2 系统硬件设计

　　2.1 DSP模块

　　本控制器采用TI公司的TMS320F2812为主控芯片，它是32位的控制专用DSP，内含FLASH，主频高达150MHz，具有数字信号处理、事件管理和嵌入式控制功能，适用于大批量数据处理的场合。

　　选用TI公司生产的TPS767D318芯片来实现TMS320-F2812的电源设计，将5V电源分别转换为3.3V和1.8V。

　　SRAM是DSP常用的外围存储器，它具有接口简单、读写速度快等优点，所以选择大小为64KB的随机存储器CY7C1021作为存储器扩展芯片。DSPF2812与CY7C1021接口电路如图2所示。

　　

 

　　复位电路设计采用TI公司的TPS382x系列电压监控电路，此系列电路不需要外围电路即可组成监控电路。SCI模块用于扩展RS-232和RS-485串行通信接口;CAN模块和外部CAN工业现场总线相连;外部接口用于与FPGA连接和扩展数字量输入输出。