以DSP和FPGA技术为基础的伺服控制系统设计详解

在大型光电跟踪设备中由于跟踪算法复杂，分系统众多，要求伺服控制模块不仅精度高、速度快、可靠性强，而且要有丰富的外围总线接口。考虑可靠性，选用PCI04PLUS总线及CAN总线作为系统外部总线。PC104PLUS总线以针孔堆叠方式组成。具有结构紧凑、抗震性能好等优点，可以在恶劣的环境下正常工作，应用于工控机领域。其与PCI总线标准兼容，可用于中高速数据传输。CAN总线符合可嵌入式结构的先进设计思想。最早应用于汽车电子中，由于其良好的工业抗干扰能力，近几年广泛应用在工业控制和军用装备方面。考虑精度和速度，主控制器选用TMS320F2812A芯片。其作为专用于电机控制方面的高端DSP产品，具有高速度、高精度等优点，广泛应用于复杂伺服控制领域 。以PC104PLIUS和CAN为总线接口，DSP为核心处理芯片，FPGA设计前端预处理电路及接口。此结构的伺服控制系统具有处理速度快、精度高、可靠性强等特点，并有良好的扩展性和兼容性。

1 系统构成

对于传统工控机来说外设资源有限，必须扩展各种接口电路，控制程序复杂可移植性差。TMS320F2812A作为伺服控制的专用芯片运算能力强，外部资源有中断控制、AD转换、串口通讯等，非常适用于伺服控制。并且其集成了2个伺服运动控制事件管理器，把AB码数据回馈、计时器、PWM波形产生集成于一个事件管理内，只需DSP的CUP简单控制就可以实现闭环伺服控制。TMS320F2812A内核时钟为150MHz，采用哈佛总线结构，处理速度较快。并且其总线资源丰富，除了传统的串口总线和HIP总线外，还有区域网CAN总线，可以方便的嵌人整个系统，有很强的扩展性。

为了适应未来大型光电跟踪设备伺服控制要求，整个系统应该具有较高的处理速度和可靠的外围总线接口。在伺服控制模块上采取：PC104PLUS总线（低速ISA总线和高速PCI总线） +FPGA预处理+DSP核心处理器，这样的结构可以满足系统对处理速度和外围接口的要求。此结构首先基于PC104PLUS总线，符合PC104总线标准，通用性强可以集成于工控机箱中。主控芯片TMS320F2812A保证伺服控制的速度和精度，并通过FPGA作为数据的预处理模块，同时为其他系统预留通讯接口，具有扩展性强、适应性强的特点。系统组成如图1所示。

2 PC104PLUS总线

PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。PC104PLUS是其增强版本，主要增加了可适应高速数据传送的PCI总线，并兼容原有总线。其主要特点为：小尺寸结构；堆栈式连接；模块化结构扩展性强；功耗低；适于制作高密度、小体积、便携式测试设备，在军用设备上有着广泛的应用。PC104作为系统总线，实际上是由ISA总线和PCI总线两部分组成的。对于低速ISA总线来说，可以在FPGA中运用逻辑运算编写总线时序，对于高速PCI总线，编写总线时序的难度比较大。一般有两种解决方法：（1）购买IP核在FPGA内部实现PCI总线逻辑；（2）运用专用PCI总线驱动芯片，如PCI9054等 。本方案中采用的是第二种方法，即采用PCI专用驱动芯片PCI9054。PCI9054是PLX公司生产的PCI总线接口芯片，满足PCI2．0协议，有三种工作模式，很方便实现系统内部总线和外部PCI总线的衔接。设计示意图如图2所示。

设计PCI9054工作于从模式下，PCI9054相对FPGA来说是主设备。当工控计算机对模块执行操作命令时由PCI9054产生相应的读写时序，FPGA根据该命令时序来控制数据总线的打开、关闭从而实现工控机和主控芯片TMS320F2812A之间的通讯。其状态机如图3所示，此状态机满足单周期传输的时序同时兼顾突发和DMA传输时序。

3 主控芯片TMS320F2812A

TMS32OF2812A数字信号处理器是在F24xx系列的基础上开发的高性能定点芯片，TMS320 812A芯片其内部主频达到150MHz，处理性能达到150MIPS，片上包含高速FLASH和SRAM，采用哈佛结构的流水线结构。外部集成了灵活可靠的运动控制模块EVA和EVB、12位AD转换模块，通讯模块包括：2路异步串口，1路CAN总线，一路SPI同步串口通。完全可以单芯片实现高精度伺服控制。为达到大型光电跟踪系统多伺服控制的要求，需要多个分系统协调控制，并联系统伺服控制不可缺少。设计提供嵌入式CAN总线作为总线的可扩展结构。CAN总线符合可嵌入式结构的先进设计思想。近几年广泛应用在工业控制和军用装备方面。其传送速度达到1Mbps ，只要设置握手协议可以在总线上自由裁减设备，使系统集成化、模块化，非常有利于系统扩展。如图4所示，系统A和系统B为包括编码器的独立伺服系统。CAN总线作为系统总线协调各分系统。系统A和系统B的脱靶量既可经PC104PLUS总线由工控计算机提供也可由CAN总线提供。这样在兼容单个伺服控制系统的基础上同时扩展并联接口，使各个分系统可协调工作。

在大型光电跟踪系统中，需要远程控制、主轴伺服控制、辅助设备伺服控制、图像处理、其他主动探测设备等，是典型的多任务系统。应用CAN总线可以把整个光电跟踪系统分为：大型跟踪架主轴伺服控制单元，其他伺服控制单元，图像捕获单元，网络控制单元。每个单元相对独立，只通过CAN总线相互连接。使每个系统相对独立又互相联系，构成可自由裁减和增设的嵌入式组合系统。

4 FPGA处理单元

在控制上多数情况采用串行运算，脱靶量的数据采集和一些耗时工作预处理、显示、通讯等工作也必然包含于串行系统之中。这样系统时间大多分配给数据采集和预处理环节而在核心算法上分配时问很短。在此系统加入FPGA预处理模块（图5），通用FPGA内部的双口RAM和DSP系统连接。这样可以利用FPGA强大的并行运算功能在程序中合理分配任务，

核心算法在DSP的串行运算完成而预处理等处理算法在FPGA的并行系统中进行运算，极大提高整个系统的快速运算能力。并且由于FPGA和高速总线PC104PLUS相连接，在未来需要大规模运算单一系统资源难以满足时可并联处理器协同处理。

5 结论

在一些大型光电跟踪设备中需要各系统协同工作，要求高精度、高可靠性并具有良好的可扩展性。采用TMS320LF2812A+FPGA+总线扩展结构设计伺服控制系统，使系统硬件得到简化，提高了系统的可靠性。系统采用FPGA预处理和高速处理DSP芯片TMS320LF2812A，处理速度快、精度高。并且由于采用总线连接技术，扩展PC104PLUS总线（包括ISA总线和PCI总线）和CAN总线，使整个系统有很强的可扩展性和适用性。整个系统具有控制实时、性能靠性和扩展性强的特点，使得一些复杂算法得以实现。设计可以应用于大型跟踪设备的伺服控制中，市场前景广阔。