南京信息工程大學(xué)講解

1、南京信息工程大學(xué)DSP課程論文課題：基于TMS320F2812多軸運動控制系統(tǒng)20132305046濱江學(xué)院電子信息工程姓名學(xué)號專業(yè)徐旭指導(dǎo)老師：周欣O 一六 五月.3.2摘要.2關(guān)鍵詞1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計12基于TMS320F281運動控制器電路設(shè)計.32.1 TMS320F2812 最小系統(tǒng).42.2 CAN通訊電路.42.3數(shù)據(jù)存儲電路2.4手操器按鍵處理電路.52.5控制電路.62.6脈沖發(fā)生器電路.62.7液晶控制電路.73多軸運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4實驗結(jié)果與分析.85結(jié)束語參考文獻(xiàn).9致謝.105基于TMS320F2812多軸運動控制系統(tǒng)徐旭南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，江蘇南京21

2、0044摘要：針對開放式多軸運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及要求，提出了一種以TMS320F2812為核心,CAN總線為通信標(biāo)準(zhǔn)的分布式控制結(jié)構(gòu).詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能，硬件設(shè)計和軟件結(jié)構(gòu) 圖.該控制系統(tǒng)具有開放性，實時性和模塊化等優(yōu)點，并可應(yīng)用于切割機器人中.在運行過程中，控制系統(tǒng)運行良好，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞：多軸運動控制；TMS320F2812位置控制；CAN總線Abstract: Abstract: The multi-axis motion control system requires the development trend and open, we propose

3、Distributed control frame work, which requires TMS320F2812 as the core, CAN buscom muni cati on sta ndard .SystemFeatures, hardware desig n and software architecture diagram is unique to her parents con trol systemOpen, real-time and modular, and has bee n app lied in cutt ing Robot. Op erati onal c

4、on trol system It shows a pro cess con trol system is fully impi eme nted and achieve the desig n goal, and it has a good prosp ect.Keywords: multi-axis motion con trol; TMS320F2812; position con trol; CAN bus1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計DSP的多軸運動控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，整個控制系統(tǒng)分上位機和下位機 2大上位機和下位機通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.應(yīng)用于切割機器人的多軸運動控制基于部分

5、，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.上位機中硬件主要包括 2個部分：工業(yè)級PC104和CAN卡.PC機選用盛博科技的PC104計算機，CAN卡選用周立功公司的PC104CAN，主要完成路徑規(guī)劃和人機交互任務(wù)功能. 下位機DSP多軸運動控制器以模塊化方式擴展數(shù)據(jù)存儲、按鍵處理、脈沖發(fā)生器、I/O開關(guān)量、液晶顯示等功能，形成功能完整的控制系統(tǒng)在這種方式中，DSP多軸運動控制器獨立實現(xiàn)所有電機的同步運動和管理功能.代U割類型選瘠管外切割I(lǐng) 管內(nèi)切割I(lǐng)發(fā)送控制計算機各運動軸 的位移量發(fā)送 接收 信息手操器模擬量 監(jiān)入/ 限位開關(guān)DSP多軸運動控制器4運動軸XIYIZIU旨電機1T電啊翻汕電網(wǎng)動敝2*亠電機3電

6、機4傳 動 機 構(gòu)液品顯示圖1 多軸運動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2基于TMS320F281運動控制器電路設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，DS P多軸運動控制器具有以下一些主要功能：(1) 控制器負(fù)責(zé)各個模塊的運行管理、狀態(tài)反饋等.(2) CAN通訊模塊負(fù)責(zé)上下位機信息通訊，節(jié)點間命令傳送、數(shù)據(jù)傳送等.(3)數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)記錄上位機下發(fā)給各個節(jié)點的數(shù)據(jù)表， 序讀出數(shù)據(jù)表，根據(jù)命令進(jìn)行執(zhí)行.并在自動運行時，按照一定順脈沖發(fā)生器模塊負(fù)責(zé)脈沖輸出，并將脈沖信號進(jìn)行放大、驅(qū)動處理，供給電機驅(qū)動器. 手操器按鍵處理模塊負(fù)責(zé)對遠(yuǎn)處手操器的信息進(jìn)行辨別，并啟動響應(yīng)處理程序. 液晶控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示.檢測信號處理

7、模塊負(fù)責(zé)檢測各軸運動的極限位置，并進(jìn)行報警，或者檢測各軸運動特定位置信息，進(jìn)行處理.由圖2多軸運動控制器的原理框圖可知，整個多軸運動控制器主要由TMS320F2812最小系統(tǒng)模塊、CAN通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、手操器按鍵處理模塊、邏輯控制模塊、脈沖發(fā)生 器模塊和液晶控制模塊等組成.以下簡單介紹各個模塊的電路設(shè)計.2.1TMS320F2812 最小系統(tǒng)系統(tǒng)采用TI公司32位定點TMS320F2812DSP作為運動控制器的核心處器.TMS320F2812具有足夠的FLASH程序存儲器容量，高速運算速度，充足的 I/O接口，豐富的RAM存儲 空間，片內(nèi)ADC以及CAN總線控制器等電源電路、時鐘電路、

8、復(fù)位電路和擴展RAM、電路構(gòu)成了 DSP的最小系統(tǒng).TMS320F2812內(nèi)核電壓為1.8V, I/O電壓為3.3.V，供電電源采 用選擇TI 公司的專用電源芯片TPS70151.時鐘電路采用30MHZ晶振，經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)5倍 頻后給DSP 提供時鐘，使DSP工作頻率為150MHZ . DSP正常工作時，不會產(chǎn)生復(fù)位信號，如果出現(xiàn)死機現(xiàn)象，則看門狗電路產(chǎn)生復(fù)位信號，DSP被復(fù)位.為了與TMS320F2812的I/O工作電壓相匹配，片外擴展存儲器選用了ISSI公司3.3V供電的FLASHMEMORY IIS61LV51216 .手操 its I I1 I_I摟塚細(xì)胖I電牢療撫/刪1隔禺- IAiX

9、：1 SCITMS32F2KI2|ccan|XINIEsJ光也陽電逆了時II1 .AMk11種電路1nVTAXM LPlH 電咖閔歸-I旳離I電E斛國礙H玄確噴電機H jMi離H也機張副禪H空流沁吸電機I q他tj和離H電機鄭動器H送流f砌業(yè)電機I圖2 多軸運動控制器原理框圖22 CAN通訊電路CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通訊速率可達(dá)1Mb/S，采用光導(dǎo)纖維作為通訊介質(zhì)，保證了通訊的速率與可靠性.在整個多軸運動控制系統(tǒng)中，PC機主控節(jié)點負(fù)責(zé)與控制器節(jié)TMS320F2812的eCAN模塊集成了 CAN 控制器， 的開銷，因此只需要外置收發(fā)裝置即可.這里采用PCA82C250是CAN協(xié)議控制

10、器和物理總線的接口, 對CAN控制器提供差分接收能力.點通訊，對控制器進(jìn)行管理.的CAN協(xié)議，減少了 CPU的PCA82C250作為收發(fā)器，CAN總線提供差分發(fā)送能力，對CAN控制器提供差分接收能力.收發(fā)器采用收發(fā)器和TMS320F2812之間加高速隔離6N137芯片以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，并使 和CAN總線隔離，達(dá)到保護 DSP芯片的作用.提供了完整PHILIP公司 此器件對5V供電，在TMS320F28122.3 數(shù)據(jù)存儲電路因此選用了ATMEL公司的串行接口，滿足于需要非常高速的應(yīng)用場每一個邏輯頁包含 512或者528 BYTES .除緩沖區(qū)，每一塊緩沖區(qū)包含對于機器人系統(tǒng)，要求存儲的數(shù)據(jù)包括各

11、運動軸程控運行時在每時刻的脈沖速度和脈沖步長 數(shù)以及切割運行理論數(shù)據(jù)等考慮到數(shù)據(jù)份數(shù)較多，AT45DB161D . AT 45DB161D 支持 RapidS合存儲容量為17 301 504bits，分為4096頁， 了主存儲器， AT45DB161D 還包含2塊SRAM512/528BYTES .系統(tǒng)編程中，通過片選引腳CS使能，通過1個三線接口來訪問，包括串行輸入SI,串行輸出SO和串行時鐘SCK . DSP操作存儲器只需要使用 3個I/O來模擬相應(yīng)的SPI 時序即可.2.4 手操器按鍵處理電路為了方便操作，控制系統(tǒng)配有遙控裝置，用于微調(diào)、點動以及實時的現(xiàn)場干預(yù)操作等.由于設(shè)計的按鍵數(shù)多達(dá)

12、38個，如果直接使用DSP上的I/O 口模擬鍵盤會占用DSP的大量外設(shè) 資源，影響系統(tǒng)其他功能.因此選用了比高公司的HD7279芯片.LOk-5VTMS 32仙;2812yS箭加匹164射TGPT0A2GPI0A1GPI0A6GPIOEOA 2 0 B2 0 J 朋11 B2匚 A2 K22j 吃3 D2E3JVDD/liESETVDDRCNCCLKOVSSDIG 了KCDIG6/CSDIGSCLKDIG 1DATADIG3/KEYDIG2SGDIGlS卩DIGGSCSDSASCSB231213212028272& 罷211915171615A7104PH15p 丄坐旳VLJNE4f LIE3

13、LINE2:m gROW 1 KM 2 ROW 3ROW -IROW 5測6ROW 7100k圖3 鍵盤接口電路圖HD7279芯片是一種通用的可編程、鍵盤顯示接口芯片鍵盤部分提供的掃描方式，可以和 具有64個觸點的鍵盤或者傳感器相連，對鍵盤不斷掃描，自動消抖，自動識別按鍵，給出編碼，并向微處理器申請中斷按鍵接口電路如圖3所示，HD7279采用串行方式與TMS320F2812進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)從 DATA引腳送入芯片，并有 CLK同步.當(dāng)片選信號 CS低電 平后，CLK的上升沿時，DATA數(shù)據(jù)被寫入HD727寄存器./KEY為高電平，當(dāng)檢測到有效按 鍵時此引腳會變?yōu)榈碗娖?2.5控制電路本系統(tǒng)采用了

14、有一個標(biāo)準(zhǔn)的采用了并口的片外地址擴展區(qū)域邏輯譯碼、系統(tǒng)I/O功能擴展以及其他擴展備用功能.CPLD邏輯主要實現(xiàn)了以下功能芯片的邏輯譯碼：包括4片定時器/計數(shù)器芯片82C54，存儲器芯片和液晶顯Altera 公司的 MAXII 系列 LDEPM7064AE . EPM7064AE 供電電壓為 3.3V，帶JTAG接口，對CPLD內(nèi)部資源的配置可通過此 JTAG 口進(jìn)行，配置代碼下載 BYTEBLASTERII 電纜.系統(tǒng)設(shè)計對 CPLD的需求主要來自于 2個方面：DSP 系統(tǒng)I/O功能擴展以及其他擴展備用功能.A12 Al 1 AIOi/O i/Oi/OI A)82C54XZCS2S320b28

15、12GP1OA8D|O：7J DSILGATE DSPLCHY DStDlR DSrWE DS 巳 RE A9 A8181/()EP M7()64At：74ALVC1 64245A2t5J A2t5JAWI Bl|0?A2OJ1H2)A2rH2A2B2A2B2A2B2INTx-GATE, -CHY DiKxCSyCLK0GATEOOLTODBL0：7JCLK1 GATE11U)A1A0CRYGATExCPx示的片選譯碼.系統(tǒng)中采用將 TMS320F2812的XA 10XA18地址線ZXCS2參與譯碼.圖4 脈沖發(fā)生電路圖2.6 脈沖發(fā)生器電路脈沖發(fā)生電路的目的是精確地控制伺服電機和步進(jìn)電機.考

16、慮到系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性、可靠性等要求，本系統(tǒng)中的脈沖控制采用三菱公司的82C54芯片做脈沖發(fā)生器，同時采用 SN7407作為驅(qū)動芯片.單路脈沖控制需要使用一片82C54的2個通道，分別工作在波特率發(fā)生器工作方式0和計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷工作方式 3兩個通道串聯(lián).脈沖發(fā)生電路如圖4所示，脈沖從計數(shù)器0 （工作方式0）的CPx引腳發(fā)出，經(jīng)過處理后送給電機驅(qū)動器，同時還將脈沖送 到計數(shù)器1 （工作方式3）的CLKx弓I腳，當(dāng)所發(fā)送的一份的脈沖發(fā)完時，INTx引腳變高電平，DSP檢測到這個跳變便認(rèn)為運動軸運動到預(yù)計位置，然后進(jìn)行下一步操作.同時82C54具有鎖存功能，在四軸的聯(lián)動時，可以及時地反讀當(dāng)前的脈沖發(fā)

17、送狀態(tài)，使系統(tǒng)可以及時地調(diào)整脈沖發(fā)送速度，進(jìn)而改變運動狀態(tài)，使運動部分按設(shè)計軌跡運動.62.7 液晶控制電路液晶屏選用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的LCM320240，集顯示、控制驅(qū)動于一體的顯示器件，接口簡單.同時具有功耗低、壽命長、可編程驅(qū)動且能提供豐富的顯示內(nèi)容等優(yōu)點， 被廣泛應(yīng)用于各種智能儀器中.液晶控制電路非常簡單，TMS320F2812通過SN74ALVC164254電平轉(zhuǎn)換芯片直接與液晶屏電路板連接.DSP與液晶屏接口方式為直接控制方式，液晶屏電路直接掛在系統(tǒng)總線上.通過液晶屏來實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)，程序中采用自建字庫來實現(xiàn)顯示漢字和數(shù)字.3多軸運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計在基于TMS320

18、F2812多軸運動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用開放性體系結(jié)構(gòu)，以模塊化、 層次化的結(jié)構(gòu)，通過各種形式向用戶提供應(yīng)用程序接口，使系統(tǒng)具有可擴展性、 可移植性和互操作性等特點，為多種控制系統(tǒng)的快速加載提供良好的接口平臺1.多軸運動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.圖5 多軸運動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)軟件設(shè)計包括2部分：CAN通訊、系(1)上位機軟件設(shè)計主要包括人機接口、任務(wù)調(diào)度、界面管理、插補運算、 統(tǒng)狀態(tài)顯示、機器人姿態(tài)或步態(tài)規(guī)劃等方面.(2)下位機DSP多軸運動控制器中程序的設(shè)計主要包括：控制主程序、位置控制、CAN通訊、手操器控制、液晶顯示控制、信號檢測等方面.系統(tǒng)中采用二次插補算法實現(xiàn)對多軸

19、同步的控制.插補分粗插補和精插補2部份.2上位機在保證一定精度范圍內(nèi)計算出一段直線或圓弧的一系列中間點的坐標(biāo)值，并逐次得到每一次各軸需運動的步數(shù)及方向，完成粗插補運算；再由多軸運動控制器完成四軸的精插補，精插補采用實時控制，大大提高了系統(tǒng)運作的實時性和可靠性.同時，為了保證在系統(tǒng)起動或停止時不產(chǎn)生沖擊、 失步、超程或振蕩，在多軸運動控制器程序中內(nèi)嵌了加減速控制算法.4試驗結(jié)果與分析研制的XKK 型切割機器人采用文中設(shè)計的多軸運動控制系統(tǒng).切割機器人為四軸運動控制系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)軸、高度軸、半徑軸、槍擺軸.系統(tǒng)中4個電機均采用北京斯達(dá)特的步進(jìn)電機.切割實驗選取加工參數(shù)為：外徑4000 mm、內(nèi)徑3920 mm、開孔直徑200 mm、偏心距1500mm