基于DSP 的PCI 通用運動控制卡的硬件設計

摘要：本文提出了一種基于TMS320F2812 的PCI 總線通用運動控制卡的設計方案。詳細介紹了運動控制卡的硬件結構，并對控制卡的配置進行了深入分析，給出了具體的配置參數。最后，介紹了板卡驅動程序的設計方法。采用DSP 和PCI 結合的方式，實現了上下位機的高速通訊，并充分發揮了DSP 強大的運算能力和極高的處理速度，以保證控制卡對實時性和精度的苛刻要求。

1 引言

隨著 DSP 技術的飛速發展，以其為核心的多軸運動控制卡越來越廣泛的應用在運動控制系統中。上位機只需對被控對象實施總體的控制和管理，而位置反饋信號的采集、閉環控制的計算和控制量的輸出均由運動控制卡完成，這極大地提高了運算速度和控制響應速度。本文設計的運動控制卡以TI 公司的32 位定點DSP TMS320F2812 為核心處理器，輔以運動控制器LM628，通過PCI 總線專用接口芯片PCI9052 與上位機通信，實現3 軸(可擴成多軸)伺服電機的控制，完成位置、速度控制以及直線、圓弧插補功能。本文將對運動控制卡的硬件設計進行詳細的介紹。

2 運動控制卡的硬件結構

TMS320F2812 是基于TI 公司最新的C28x 內核而設計的。與其他的處理器相比，其具有如下一些特點：采用低功耗設計，核心電壓僅1.8V~1.9V，顯著降低了功耗，指令周期可達6.67ns;新增了擴展控制寄存器以實現各種增強功能;多達128K×16 位的Flash 存儲器，足夠用于存儲程序和數據變量;56 個可編程或復用的通用I/O。

LM628 是NSC 公司專為使用增量式編碼器作為位置反饋的伺服機構而設計的一種芯片，其集成度高，需要外圍部件少，易于調試。主要特點如下：具有32 位位置、速度和加速度寄存器;帶有16 位參數的可編程數字PID 控制器;可編程微分采樣間隔;運動過程中可改變速度、預期位置和PID 控制器參數;實時可編程的主機中斷。

PCI9052 是PLX 公司推出的低成本、低功耗、32 位PCI 總線專用目標接口芯片。其兼容PCI V2.1 協議特性，可與多種局部總線相連;支持復用或非復用的8/16/32 位局部總線;支持4 個局部片選信號和5 個局部地址空間;支持兩個來自局部總線的中斷，可生成一個PCI 中斷;支持局部總線等待狀態，附加的LRDYi#握手信號可用于產生各種等待狀態。運動控制卡的總體硬件結構如圖 1 所示。其中，DB 為數據總線，AB 為地址總線，CB為控制總線，CS-1~CS-4 為片選信號，XA0 為DSP 經電平轉換后的最低位地址線。

圖 1 運動控制卡的總體硬件結構

從圖中可以看出 PCI 接口芯片的PCI 總線端直接與金手指相連，局部總線端則通過雙端口RAM 與DSP 相連，構成16 位存儲轉換電路。DSP 分別與三片LM628 相連，與其配合以實現3 軸運動控制。這樣既解決了DSP 因系統資源不足不能控制多軸的問題，又彌補了LM628 單獨控制時總線傳輸延時的缺點。LM628 的數字量輸出經數/模轉換和電壓放大后轉換為交流伺服驅動器可以接收的模擬電壓信號(-10V~+10V)。而伺服電機增量式光電編碼器的反饋經差分電路濾波并合成單端信號接入到LM628 中，以構成位置閉環控制。

圖 2 PCI 總線接口框圖