基于DSP与FPGA的运动控制器设计

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2.4 数字量输入输出接口模块

考虑到系统的可扩展性和DSP的GPIO口的数量，此运动控制器在DSP与FPGA上分别设计8路，共16路数字量输入输出。运动控制器的所有数字量输入输出信号均采用光电隔离处理，并对每一路信号进行相应的数字滤波处理，以消除噪声信号。数字量输入通道可以根据用户的要求自定义用途，用于零点、限位信号的输入等；数字量输出通道用于各轴方向、脉冲信号的输出以及一些外部设备的启停控制等。

3 系统软件设计

软件设计采用模块化设计方法，程序的总体结构采用以数据管理和位置速度控制为主，以I/O端口控制、逻辑控制、插补运算等为中断任务或子函数任务的形式。位置速度控制主要负责对实时运动状态的监控与调节；I/O端口控制主要负责扫描输入端口、设置输出端口等辅助性任务。

DSP控制程序主要由一个定时中断构成，主程序启动后，首先完成对TMS320F2812的初始化及系统的一些基本配置，并处于等待状态。运动控制功能是在伺服中断服务程序中实现的。主程序和伺服中断服务程序基本流程如图4所示。

FPGA主要完成运动控制器的精插补功能，采用数字积分法进行插补。把数字积分法分为3个状态：(1)状态WAIT，等待插补信号；(2)状态L1，判断总的脉冲数；(3)状态L2，积分累加器累加一次，如有溢出，相应的输出脉冲为高电平，剩余累加次数减1。

数字积分法的有限状态机如图5所示。

触发条件T1：没有启动信号，下一状态为WAIT，无操作；触发条件T2：有启动信号，下一状态为L1，操作为初始化各寄存器，置忙信号；触发条件T3：剩余累加次数大于0，下一状态为L2，操作为各轴输出脉冲为低电平；触发条件T4：剩余累加次数为0，下一状态为WAIT，操作为各轴输出脉冲为低电平，清忙标志；无触发条件：下一状态为L1。

具体实现方法为：时序电路产生的插补脉冲作为此模块的累加脉冲，每累加1次，剩余累加次数减1。当剩余累加次数为0时，此次插补过程结束。

本文设计了一种通用型四轴伺服运动控制器，该运动控制器的结构设计可以模块化和易于扩展，这样可以满足用户的各种需求。在软件部分中，采用有限状态机的插补方法，在插补速度处理环节做了优化，使脉冲输出更加稳定。此设计采用了模块化思想，各电机可以单独控制，具有较为全面的运动控制功能、较高的控制精度和较快的反应速度，其性能可靠、硬件结构简单、价格便宜。

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