基于DSP+CPLD 可重构数控系统的设计与仿真

1、前言

随着计算机技术的高速发展，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式，其核心思想之一是柔性化制造，制造系统能够随着加工条件的变化动态调整。目前，各类MCU 快速发展，它们不仅运算速度快、价格便宜、种类繁多，而目不同M CU 针对不同的应用在其片上集成了专用控制电路，满足了不同的应用需求还提高了电路的安全性和稳定性。综合上述的分析与论证，本文设计了一种基于DSP＋CPLD 现场可编程门阵列器件的可重构数控系统。

2、硬件设计

本运动控制卡是以PC 机作为主机的运动控制卡，选用DSP 作为核心微处理器，卡上集成编码器信号采集和处理电路，D/A输出电路，扩展存储器电路和PC-DSP通讯电路。PC机把粗处理的数据通过DSP-PC 通讯接口传递给运动控制系统，DSP通过对光电编码器反馈信号处理电路的结果分析，计算出与给定位置的误差值，再通过软件位置调节器获得位置控制量，计算出运动速度控制量，产生的输出信号经D/A 转换将模拟电压量送给伺服放大器，通过对伺服电机的控制实现对位置的闭环控制。系统的结构框图如图 1 所示。



选用美国TI公司的16位定点DSPTMS320LF2407A作为本运动控制器的核心处理器，地址译码、时序逻辑、编码器信号处理电路用CPLD来完成，用PCI 接口芯片实现双口RAM与PC 机的通讯，双口RAM用来存储和缓冲DSP与PC 机间的通讯数据，SRAM用来存储运动控制器运行时的程序和数据。

(1).DSP外部中断接口处理

对于数控机床来说，由于受工作行程等各方面的限制，在其超过控制范围时，引入包括限位中断和编码器INDEX 信号中断。每个控制轴有正反方向的两个限位开关，产生两个限位信号，4 个轴共8 个限位信号:LIMA+, LIMA -、LIMB +, LIMB -、LIMC +, LIMC-，LIMD+, LIMD -其中“+”表示正限位，“-”表示负限位。这几个信号通过CPLD 的相与之后接到DSP 的中断管脚XINT1，同时这些信号通过光藕电路接入DSP的I/O 口。当运动到限位开关处时，就会触发DSP的外部中断信号XINT1，然后DSP就可以根据I/O 判定是哪个限位开关超过工作范围。8 个限位开关分别接到DSP 的I/O 口,通过设置MCRA(地址:7090H),MCRB(地址:7092H)为零，使这些复用管脚处于I/O 功能。限位输入信号的状态可以从寄存器PADATDIR(地址:7098H )和PBDATDIR(地址:709AH)对应的数据位读取,对应的数据方向位设为零，以使这些I/O 管脚工作在“输入”状态下。编码器的INDEX信号处理同上面相类似。每个轴能产生一个INDEX 信号，4 个轴有4个INDEX 信号。这4 个信号通过逻辑与门产生一个中断信号，接到XINT2,同时接到DSP 的I/O 口，供中断产生时DSP读入。

(2).四轴编码器信号处理电路设计

四轴编码器信号处理电路是对光电编码器输出的两组相差90o 的方波信号的处理，从而获得执行元件实际位置，其输出是一路16 位的数字量，反馈给中央处理器，编码器信号处理电路包括滤波，倍频，计数几个功能模块，传统的四轴编码器信号处理电路采用分立元件来设计，它可靠性、抗干扰能力差，应用CPLD 设计了单片并行四轴编码器信号处理电路。

它具有实时性好，硬件体积小，工作效率高，提高系统的集成度，相对于分立元件，单片并行四轴编码信号处理电路集成在一个片子上，一方面单片芯片内的门电路、触发器的参数特性是完全一致的，在相同转速下脉冲信号的脉冲周期可以保持一致。另一方面，电路做在单个芯片内，抗干扰性能比分离器件构成的电路也有很大的提高，增强了系统的灵活性、通用性和可靠性。本文设计是一个四轴伺服系统，因此有八路四组方波信号，A 相B相相差90o，CLR，CLK，WE 分别为输出清零，系统时钟和输出使能，SEL*是输出选择信号，选择X，Y，Z，A中的一组信号处理的结果作为输出信号，分时送到数据总线。

滤波模块的设计

编码盘理论上是稳定的方波信号，但在实际操作中，经常会存在脉动干扰，滤波模块的功能是将这些脉动干扰滤掉，降低系统产生误动作的可能性，提高系统的可靠性，下面的VHDL 程序通过对A，B 两相方波信号同时延时四个CLK 脉冲，，脉冲宽度小于三个CLK脉冲周期的输入信号被滤掉。仿真结果如图：



倍频计数模块的设计

四倍频电路的设计是为了增加计数脉冲在一个周期中的个数，来提高测量的分辨率，工程中常把光电编码器输出的两路方波信号的上升沿和下降沿，来获得四倍频的脉冲信号，把光电编码器的分辨率提高四倍，通过光电编码器输出两路方波信号相差的正负来确定运动的方向，对光电编码器输出信号A、B；可以写成：





如图：



在一个周期内产生的四倍频计数脉冲输出S，方向判别信号J，通过一个16 位可逆计数就可以实现对伺服装置的位置检测，实现位置伺服控制系统的控制。