基于DSP與CAN總線的跟蹤伺服控制器設計

目前的光電跟蹤伺服系統大都采用PC/104結構，它是通過主控計算機完成對目標捕獲跟蹤功能，但是組成實際應用的跟蹤伺服系統還要疊加多塊板卡，不僅增大了系統體積，而且精度難以提高，花費昂貴[1]。而DSP正以其高速的數據處理能力，豐富的片內外資源、方便的開發環境，以及低廉的價格在越來越多的計算控制系統中得到應用 [2]。總線化是工業控制系統的一個發展方向，它在可適用范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面較集中式控制系統有明顯的優越性[3]。因此，本文結合光電跟蹤伺服系統的特點，提出一種基于DSP與CAN總線結構的伺服控制器。
在高速光電跟蹤系統中，對伺服系統的實時性、精確度和穩定性都有很高的要求。實際應用中環境比較復雜，有大量的信息傳遞，并且需要對電機轉速實行精確控制，從而對伺服控制器的多路通信能力、快速運算能力和抗干擾能力都有較高的要求。由于FPGA具有高度靈活的可配置性和邏輯時序控制能力[4]，所以這里采用Altera公司Cyclone系列FPGA為輔助處理器，設計了以TI公司的32位定點數字信號處理器TMS320F2812為核心， 通過CAN現場總線與上位機通信的跟蹤伺服控制器，并綜合闡述了該控制器的功能、硬件設計和軟件流程。該控制器具有兩路雙極性模擬信號輸入，兩路單極性模擬信號輸入，四路雙極性模擬信號輸出，可滿足控制兩個三相IGBT的12路PWM輸出，一路CAN總線，三路RS422和一路RS232串行通信口，具有較強的運算能力和數據通信能力,是良好的數字控制系統實驗平臺。
1 總體結構設計
TMS320F2812是一款專為電機控制所設計的芯片，片上集成了豐富的片內外設資源。設計時充分利用了這一特點，簡化了外圍電路，降低了系統的功耗。根據電路中各部分所實現的功能，將整個控制器大體分為三個部分：處理器部分、外圍通信接口部分和模擬信號處理部分。控制器的總體硬件結構圖如圖1所示。

圖中，處理器由DSP和FPGA組成，完成板上主要的信息處理。上位機通過CAN總線向控制器發送指令，并能及時獲得工作狀態等反饋信息。位置信號與位置增量信號分別通過三個RS422通信口傳給DSP，由DSP作相應處理。兩軸的速度和電流反饋信號分別由板上的雙極性和單極性模擬電路采樣得到。DSP與FPGA之間通過DSP的系統外部接口（XINTF）進行數據的讀寫。D/A轉換器的控制是通過FPGA內部的D/A轉換接口模塊接收DSP輸出的數字量實現的；計算機調試接口采用了一路RS232。
2 硬件電路設計
2.1 DSP與FPGA模塊
32位定點數字信號處理器TMS320F21812整合了DSP和微控制器的最佳性能，能夠在一個周期內完成32×32位的乘法運算，或兩個16×16位乘法累加運算，處理速度最高可達150 MIPS。它采用高性能靜態CMOS技術，內核電壓為1.8 V@135 MHz, 1.9 V@150 MHz, I/O端口電壓3.3 V[5,6]。其先進的內部和外設結構使得該處理器特別適合電機及其他運動控制應用，能夠真正實現單片控制,為電機的伺服控制提供良好的控制功能[7]。
FPGA選型時綜合考慮片上邏輯單元和用戶I/O口數量，以及功能擴展的需要。這里根據前期仿真結果選用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144I7,它具有2 910個邏輯單元，104個用戶I/O和1個鎖相環，內核電壓1.5 V，具有低成本、低功耗的特點[8,9]。由于FPGA具有高速并行處理能力，保證了系統的同步性[10]。它的I/O口支持3.3 V LVTTL電平，與DSP管腳電平兼容，因此不用進行電平轉換，可直接連接，使用方便。
DSP的功能主要通過軟件實現，在此主要實現接收上位機指令，完成位置環和速度環反饋的雙閉環PID控制算法，產生PWM輸出。根據系統采樣頻率調整事件管理器的定時器控制寄存器的控制字來設定PWM工作方式和頻率，通過調整比較寄存器的數值來改變PWM的占空比，根據功率驅動電路的驅動芯片設置死區控制寄存器的數值，以及來調整死區時間，通過專用的PWM輸出口輸出占空比可調的帶有死區的PWM信號[11]。
DSP與FPGA之間實時準確的數據傳遞是系統成功的一個關鍵因素。這里選用DSP上的系統外部接口(XINTF)與FPGA連接，在FGPA內部配置一個與DSP讀寫時序相對應的數據讀寫接口。實驗證明，這是一種穩定有效的方法。
2.2 CAN總線及其他通信接口模塊
CAN總線具有低成本、易開發、實時性好以及抗噪聲性能好等優點，傳輸速率最高為1 Mb/s，最大傳輸距離為10 km(5 kb/s)。CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率低，同時降低了應用程序的復雜程度，從而使通信更加可靠。現在它逐步發展成為用于工業領域控制、通信的現場總線[12]。
由于實際工作環境較為復雜，所以選用了抗干擾能力強的CAN總線作為與上位機的通信方式，TMS320F2812內部集成了一個eCAN模塊，支持標準的CAN2.0B協議，只需加相應的CAN收發器外圍電路就可以輕松實現。DSP芯片的CAN總線控制器與CAN物理總線的接口選用PCA82C250驅動器芯片。為了增強抗干擾能力,保護CAN控制器,在TMS320F2812與PCA82C250之間加高速光隔。光隔離器采用6N137芯片，其速度為10 MHz。硬件電路如圖2所示。