0 引言 lbeP概述随着FMS的迅猛发展和CIMS的兴起和不断成熟，对TMS320X240主要由CPU、片内RAM和可编程ROM机床数控系统提出了更高要求。现代数控机床正在向更 或FLASH、EEPROM、事件管理器、片内周边接口等部高速度、更高精度、更高可靠性及更完善的功能方向 分组成。发展。CPU具有16位定点DSP内核，指令集源码向下兼容在CNC系统中，PC机由 于其丰富的软件资源而得TMS320CZX系列、向上兼容TMS320CSX系列，具有良好的到广泛应用。在这类系统中，任务调度、代码编译、插 可移植性。运算能力2（）MV（指令周期50us），具有独立的补运算、轨迹规划等一些智能软 件模块由PC机完成，数据总线和地址总线，支持并行的程序和操作数寻址。而位置和速度控制则由插在PC扩展槽中的运动控制器 这种高速运算能力，使自适应控制、卡尔曼滤波等复杂控实现。制算法得以实现。近年来，数字信号 处理器（DSP）以其功能强、速度快、其事件管理器提供了下列对运动控制非常有用的一编程和开发方便的特点，已经成为信号处理系统开发的 系列功能：主流处理器，广泛地应用于许多领域。由于数字信号处（1）通过定时器理器具有高速运算能力，使很多复杂的控制算法和功能 共有3个16位通用定时器T、TZ几，可用于产生采得以实现，并将实时处理能力和控制的外设功能集于一 样周期，作为比较单元产生PWM输出以及软件定时的身，所以它在位置控制中越来越被广泛应用。本文设计 时基。了一种基于数字信号处理器TMS32（）XN运动控制器，实（2）比较单元与CMP／P WM输出现数控系统的高速度和高精度。共有3个全比较单元和3个非比较单元。每个全DSP技术71一比较单元以TI为时基，可输出 2路带可编程死区的 如显示驱动等。SCI口即通用异步收发器（UAR），用于与CMP／PWM信号。通过设置TI ，为不同工作方式，可PC机等通讯。选择输出非对称IymM波、对称PWM波或空间矢量（）看门狗（WD）与实时中断定时器（RTI）PWM波。监控系统软件及硬件工作，在CPU工作混乱时产生（3）正交编码脉冲（QEP）接口单元 系统复位。对光电编码器输出的相位差90度的A王两路脉冲2 运动控制器的总体构成信号，可进行鉴相和4倍频。运动控制器的系统框图如图1所示。DSP主要 实现其周边接口单元提供方便的输人输出控制：位置控制功能。主机通过总线向DSP发送位置或速度命（l）10位A／D转换器 令，设定PID调节参数等。DSP将位置指令和实际位置相包含两个有内部采保电路的10位A／D转换器，共16 比较，产生位移偏移量。该值通过数字调节器的PID运个A／D通道，每个通道的最大转换时间仅 6．6po。算，输出给数模转换器。DSP在完成位置控制的同时，还（2）SP和SCI同步 串行外设接口（SP）对速度进行控制，按梯形速度曲线自动生成加速、匀速。可用于同步数据通讯。典型应用包括外部厂O扩展，减速3段曲线，其面积为要求的位置。八t厂一刁＿DT，n。。LID＾＿L一开关量～ 一 1ill 厂＿＿LIHAI－i cyAI 输出卜driAI经拄LJJ吞W蟹L一 卫 卜一MMQA％卜H＿。I＿4路模拟卜，D－DH 保D Z 存D D——DI 锯D【一’———一D 回二二回 一量输出MI2＊ 存储器配置24位循环计数器计数，获得各自速度值。本设计采用TM臼刀l；240有W字的（16位）片上数据厂匿序双端 一块h州C公司的大规模可编程集成芯片ISPChlwSE，口存取 RAM＊ 字的＊ 位）片上程序 ROM或 M EEP－对编码器反馈输人接口电路。该方案与采用其他 IC芯ROM，NK字O 位）的最大可寻址存储空间（64K字程序 片设计的电路相比，可改善整个电路的逻辑和电气特存储空间、MK字数据存储空间、fK字UO空间和32K字 性，对于提高整个控制系统的精度和可靠性具有实用全局存储空间）。在位置控制反馈中，需处理或交换大量 价值。数据，因而要扩充 SRAM和 EEPRD。在本设计中，由于 lSP（In－Syste Plx）urazrlllllg）是 ace公司提出的能在PID运算要在一个时钟周期内完成读写操作，这就要求存 产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终储器速度匹配，因而SRAM选用读写时间为2（）n的2片 用户以后，具有对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑32KX的CY7C199，控制算法＊SP配置软件等系统软件则 和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。它允许重存放于2片32KX8的EI，ROM27C256中。由于EPROM的 组系统特性，而器件仍保持焊接在电路板上。这个能力革存取速度为200us，因此DSP和EPRD接口时必须插人2 新了板级设计、极级调试、系统制造和系统升级。个等待状态。ISP器件的编程仅需一路SV或3．3V电源和一根52二 编码器反馈输入接口电路 芯的串行接口电缆，诸如编程、校验和擦除之类的系统编码器的脉冲序列经阻容滤波电路、差分放大器及 编程操作，是将命令和数据经过串行接口送到ISP器将光电隔离后，进人ISP。由ISP内部倍频电路形成带辨 来完成的。4个基本编程信号由数据串人（SD）、模式选向信号的脉冲序列。四轴脉冲序列分别由ISP内部一个 择（MODE）、数据串处（SDO）和串行时钟（SCLK）构成。此72 机电一体化 MechatrDnics 2002年第3期一外，还有一个ISP，使能信号端（ISpEN）用来激活和关闭 能逻辑块（GLB）。一个GLB包括18个输人A个输出，并ISP器件的4个基本编程控制信号，以便在编程以后的 能完成大多数标准逻辑功能。GLB的内部逻辑，分为4个正常工作情况下将这4个编程端口用作直 通输人端。独立部分：与阵列、乘积项共享阵列、可重构寄存器以及功ISP系列器件采用EECMOS技术制造。EECOMS的非易 能控制。失性意味着在掉电和上电过程之后，无需对ISP器件重ISP的编程采用了一种VHD的硬件描述语言，通过新编程，而且可保证10 p次擦除或改写。ISP其间还具 IHt［lce公司提供的软件进行开发，也可用原理图输人或 A－有“保密单元”，器件一经加密，就不能从中读出二进制BEL编程。的编程结构。ISP器件还可通过JTAG边界扫描接口进 本设计中山SP以总线方式与ISP进行数据与控制信行编程。息通信，根据读写时序图编写相应的yHDL逻辑程序，完p hots有％根VO线，口根固定输人线，48个万 成DSP和ISP的通讯，如图2。一图三2．3 D／A输出和可靠性设计 芯片实现pei接日，在设计上比使用可编程器件要简单，模拟输出采用KB公司的高精度16位D／A器件 这将大大的缩短产品的开发周期。目前，很多半导体器件DAC725。该芯片具有 8位数据完善的处理器接口，内部有 公司，如 AMCC、ZORON、PLX提供pei接口的专用芯片，器精密基准电压，双缓冲锁存器和电压输出放大器，还设有 件的功能也很强，在很大程度上可以满足各种用户的需硬件引脚，当复位有效时，输出电压为零，这对于实时运动 要。本设计采用AMCC公司的55993
专用芯片，来实现通控制是非常有用的。用PCI总线接 口。由于DSP系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发AMCCM993的结构如图3所示。每一个PCI设备都生干扰和被干扰的现象，严重时系统可能会出现死机现 有相应的配置空间。i933通过EEPROM来配置空间。象。为了克服这种现象，除了在软件上 作一些保护措施AMCC公司提供一个NVBUllJ）ER的软件，可以通过55933外，硬件上也必须作相应的处理。硬件上最有效的保护措 对EEPRO进行读写。55933提供了由片内Fll；D和邮箱施就是，采用具有WWIHDOG功能的自动复位电路。组成的消息接口，还提供了一个由PCI总线至插卡总线的2．4 通讯模块 直通电路。55933通过这些数据通路，将复杂的PCI接口该运动控制器是基于PCI总线的控制系统，采用主从 转换为相对简单的插卡总线接口。55933的功能是由用户控制方式，由DSP构成下位机系统。通过PCI总线接口模 设定的，在上电时，由EEPRDM配置，而且55933还提供了块与PC机进行高速数据交换。扩展BIOS的能力。PCI总线是计算机中最常见的总线，它是一种高性能 通过使用pei专用芯片，可以实现PCI总线和DSP处的32／ot位地址数据复用总线，支持碎发传输，最高工作 理器之间的信息传递。DSP处理器可以直接通过55933提频率33MHz，峰值吞吐率在32位时为132MB／S。通常，接 供的通讯接口与PCI总线进行数据交换。但是，由于口逻辑的实现有两种方法：一是采用专用芯片 ，二是用可55933片内提供的FIFO深度较小，只有SX32bitXZ（双向），编程器件自行设计。利用可编程器件设计PCI的接口逻 每传递8个双字就要产生一次中断。如果进行大数据块辑，可以根据具体应用的需要，优化接口逻辑，具有很大的 传输，频繁的硬件中断会降低DSP处理器的效率。因此，灵活性，而且接口逻辑也可获得较高的性能。但是，自行 可利用55933的直通通路，通过外界大容量双端口存储器设计的难度很大，对实现