基于DSP與FPGA的四軸運動控制器設計與研究

摘要：針對數控系統的工作特點和要求，通過對DSP TMS320F2812、FPGA EP2C8F256C6及以太網控刺器RTL8019AS的深入研究，設計了一種基于DSP與FPGA的運動控制器。該控制器以DSP和FPGA為核心器件，針對運動控制中的實時控制、高精度等具體問題，規劃了DSP的功能擴展，并在FPGA上擴展了功能相互獨立的四軸運動控制電路。該電路實現了四路控制信號輸出，四路編碼信號的接收和處理，以及原點信號，正負限位信號等數字量的接收和處理。具有結構簡單、開放性、模塊化等特點，能夠較好的滿足運動控制器的實時性和精確性。
關鍵詞：DSP；FPGA；以太網控制器；運動控制器

0 引言
運動控制技術是制造自動化的關鍵基礎，其水平高低是衡量一個國家工業現代化的重要標志，研究和開發具有開放式結構的運動控制器是當前運動控制領域的一個重要發展方向。隨著集成電路技術、微電子技術、計算機技術和網絡技術的不斷發展，運動控制器已從以單片機和微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，發展到了基于PC機平臺的以數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)作為核心處理器的協處理架構的開放式運動控制器。該控制器將PC機和DSP的信息處理能力與FPGA的外圍擴展功能很好的結合在一起，具有信息處理能力強、模塊化、開放程度高、運動軌跡控制精確等優點。

1 系統概述
該四軸運動控制器系統以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8F256C6為核心，DSP通過網口接收上位機的控制參數，完成系統位置、速度控制及運動軌跡規劃；FPGA完成運動控制器的精確插補功能和外圍電路的擴展，系統總體框圖如圖1所示。

運動控制器的主要功能包括：4路模擬電壓輸出，電壓范圍為-10～+10 V，分辨率為16 b；4路脈沖量信號輸出；4路脈沖方向信號輸出；4路驅動復位信號輸出；4路驅動使能信號輸出；4路差分編碼信號輸入；4路驅動報警信號輸入；8路正負限位信號輸入；4路原點信號輸入；16路通用數字量。I／O。

2 DSP模塊設計
DSP根據從上位機接收的運動模式和運動參數實時計算規劃位置和規劃速度，生成所需的速度曲線，實時的輸出規劃位置。TMS320F2812是TI推出的一款專門用于電機控制的32位定點DSP芯片，采用高性能靜態CMOS技術，主頻高達150 MHz(指令周期6．67 ns)，低功耗，核心電壓為1．8 V，I／O電壓3．3 V，支持JTAG邊界掃描，128K×16 b的片內FLASH。有兩個事件管理器(EVA和EVB)，它們都是特定的外圍設備，為多軸運動控制器而設計的。可通過外部存儲器接口XINTF擴展外部存儲器。DSP外圍模塊設計如圖2所示。