利用DSP与FPGA设计三坐标测量机CNC单元

1 引 言

    三座标测量机是集光、机、电以及计算机控制为一体的高精度测量设备，它使几何量的测量出现了一种全新的概念，即在测量方向与被测方向不一致的情况下，可以高效率的测量任意零件的任一参数，获得高精度的测量结果。三座标测量机是由单座标测量机和两座标测量机发展而来的。通常的三座标测量机是由三个互相垂直的运动轴 x、y、z 建立起来的一个直角座标测量体系，测头的一切运动都在这个座标系中进行，且都带有计算机和测量软件，可以直接打印出测量数据。

    文章介绍了基于 DSP+FPGA 的三坐标测量机位置控制单元的研究和设计方法，此方法将外部信号的采集和数据的运算处理分别在两个处理器中进行，使 DSP 全力完成算法和控制，减少由于采集数据而引起的时间延迟，从而提高整个系统的动、静态性能。

2 系统简介

    系统的功能框图如图 1 所示。

    系统 DSP 芯片选用 TI 公司 C2000 系列的 32位定点 DSP TMS320F812，FPGA 芯片选用 XILINX公司的高性价比的 SPANTAN3 系列 40 万逻辑门的XC3S400PQ208，D/A 芯片选用 TI 公司的 12 位 、4路正负 10V 输出、并行接口且内部带数据锁存功能的 DAC7724。

    由图 1，我们从硬件设计和软件设计两大部分来分析系统。关于DSP芯片的硬件资源及其各个部件的使用方法和 FPGA 的逻辑资源及其电器性能，可以参照相关的数据手册。

3 硬件设计

    由图 1 可见，硬件设计主要包括普通的数字 I/O设计和 DSP 与 FPGA 之间的接口设计。普通的数字I/O 设计在本系统中主要任务就是电平匹配和光隔。下面重点讨论 DSP 与 FPGA 之间的接口设计。

    按照传统方法，2 个处理器或 2 个控制器之间的数据传输采用分时访问片外双口 SRAM 的方法实现。分时复用的方法数据传输效率低，当一个处理器在访问 SRAM 时，另一个处理器无法访问到该SRAM，在时序上会造成系统在数据传输上的延迟，从而影响系统的控制性能。

    TMS320F2812 带有外部接口，其采用异步非复用模式的总线。TMS320F2812 的外部接口映射到 5个独立的存储空间，与 TMS320L F2407A 的外部扩展接口梢有不同。当访问相应的存储空间时，会产生一个片选信号；另外，有的存储空间共用一个片选信号，需要用户的译码逻辑进行区分。本系统以DSP 外部扩展总线的方式与 FPGA 接口，图 2 为TMS320F2812 与 FPGA（XC3S400PQ208）硬件连接示意图。

    TMS320F2812 的外部数据总线分时被外部异步SRAM存储器和外扩DAC7724以及FPGA占用，所以 FPGA 与 DSP 接口的双向数据总线的占用和释放是设计的一个关键的问题。本系统使用XILINX 提供的原语 IOBUF 来设计 16 位数据总线的每一位，图 3 为 IOBUF 的逻辑功能图。