基于DSP和FPGA技术的多总线伺服控制模块设计

　　0　引言

　　在大型光电跟踪设备中由于跟踪算法复杂,分系统众多,要求伺服控制模块不仅精度高、速度快、可靠性强,而且要有丰富的外围总线接口。考虑可靠性,选用PC104PLUS总线及CAN总线作为系统外部总线。PC104PLUS总线以针孔堆叠方式组成。具有结构紧凑、抗震性能好等优点,可以在恶劣的环境下正常工作,应用于工控机领域。其与PCI总线标准兼容,可用于中高速数据传输。CAN总线符合可嵌入式结构的先进设计思想。最早应用于汽车电子中,由于其良好的工业抗干扰能力,近几年广泛应用在工业控制和军用装备方面。考虑精度和速度,主控制器选用TMS320F2812A芯片。其作为专用于电机控制方面的高端DSP产品,具有高速度、高精度等优点,广泛应用于复杂伺服控制领域[1-2]。以PC104PLIUS和CAN为总线接口, DSP为核心处理芯片, FPGA设计前端预处理电路及接口。此结构的伺服控制系统具有处理速度快、精度高、可靠性强等特点,并有良好的 扩展性和兼容性。

　　1　系统构成

　　对于传统工控机来说外设资源有限,必须扩展各种接口电路,控制程序复杂可移植性差。TMS320F2812A作为伺服控制的专用芯片运算能力强,外部资源有中断控制、AD转换、串口通讯等,非常适用于伺服控制。并且其集成了2个伺服运动控制事件管理器,把AB码数据回馈、计时器、PWM波形产生集成于一个事件管理内,只需DSP的CUP

　　简单控制就可以实现闭环伺服控制。TMS320F2812A内核时钟为150MHz,采用哈佛总线结构,处理速度较快。并且其总线资源丰富,除了传统的串口总线和HIP总线外,还有区域网CAN总线,可以方便的嵌入整个系统,有很强的扩展性。

　　为了适应未来大型光电跟踪设备伺服控制要求,整个系统应该具有较高的处理速度和可靠的外围总线接口。在伺服控制模块上采取: PC104PLUS总线(低速ISA总线和高速PCI总线) +FPGA预处理+DSP核心处理器,这样的结构可满足系统对处理速

　　度和外围接口的要求。此结构首先基于PC104PLUS总线,符合PC104总线标准,通用性强可以集成于工控机箱中。主控芯片TMS320F2812A保证伺服控制的速度和精度,并通过FPGA作为数据的预处理模块,同时为其他系统预留通讯接口,具有扩展性强、适应性强的特点。系统组成如图1所示。

　　2　PC104PLUS总线

　　PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。PC104PLUS是其增强版本,主要增加了可适应高速数据传送的PCI总线,并兼容原有总线。其主要特点为:小尺寸结构;堆栈式连接;模块化结构扩展性强;功耗低;适于制作高密度、小体积、便携式测试设备,在军用设备上有着广泛的应用。PC104作为系统总线,实际上是由ISA总线和PCI总线两部分组成的。对于低速ISA总线来说,可以在FPGA中运用逻辑运算编写总线时序,对于高速PCI总线,编写总线时序的难度比较大。一般有两种解决方法:(1)购买IP核在FPGA内部实现PCI总线逻辑; (2)运用专用PCI总线驱动芯片,如PCI9054等[5]。本方案中采用的是第二种方法,即采用PCI专用驱动芯片PCI9054。PCI9054是PLX公司生产的PCI总线接口芯片,满足PCI2·0协议,有三种工作模式,很方便实现系统内部总线和外部PCI总线的衔接。设计示意图如图2所示。