DSP FPGA在高速高精运动控制器中的应用

摘要：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。

　　关键词：运动控制；dsp；fpga；b样条插值；pid

applicationofmovement-controlsystembasedondspandfpga
zhuxian-xin,huangtao,dengqi-hui，luluo-xian
(wuhanuniversityoftechnology,instituteofintellegentinformationsystem,wuhan,430070,china)
abstract:digitalsignalsprocessorcanprocessnumericalsimulationreliability,providesfavorableenvironmentfordelevlopment,andfpga(fieldprogrammablegatearray)cancollocatedflexible.thispaperdescribesmovement-controlsystembasedontms320c32andfpga.itsmoothesmotionalcurvethroughalgorithmofb-splineinterpolationandcontrolsmotionalprocessbymeansofpid.
keywords:movement-control；dsp；fpga；b-spline；pid

基金项目：863科技攻关项目，高速、高精运动控制器技术研究(2001aa423170)

　　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
　
　　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dspfpga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。

1.1dsp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tms320c32dsp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。

1.2fpga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，计数量大，所以必须选择高容量、高性能的可编程逻辑器件。

　　alteraflex(flexibllogicelementmatrix)10