基于DSP與CAN總線的跟蹤伺服控制器設(shè)計(jì)

基于DSP與CAN總線的跟蹤伺服控制器設(shè)計(jì)目前的光電跟蹤伺服系統(tǒng)大都采用PC/104結(jié)構(gòu)，它是通過主控計(jì)算機(jī)完成對(duì)目標(biāo)捕獲跟蹤功能，但是組成實(shí)際應(yīng)用的跟蹤伺服系統(tǒng)還要疊加多塊板卡，不僅增大了系統(tǒng)體積，而且精度難以提高，花費(fèi)昂貴[1]。而DSP正以其高速的數(shù)據(jù)處理能力，豐富的片內(nèi)外資源、方便的開發(fā)環(huán)境，以及低廉的價(jià)格在越來越多的計(jì)算控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用[2]?？偩€化是工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向，它在可適用范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面較集中式控制系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性[3]。因此，本文結(jié)合光電跟蹤伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種基于DSP與CAN總線結(jié)構(gòu)的伺服控制器。

在高速光電跟蹤系統(tǒng)中，對(duì)伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精確度和穩(wěn)定性都有很高的要求。實(shí)際應(yīng)用中環(huán)境比較復(fù)雜，有大量的信息傳遞，并且需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)行精確控制，從而對(duì)伺服控制器的多路通信能力、快速運(yùn)算能力和抗干擾能力都有較高的要求。由于FPGA具有高度靈活的可配置性和邏輯時(shí)序控制能力[4]，所以這里采用Altera公司Cyclone系列FPGA為輔助處理器，設(shè)計(jì)了以TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為核心，通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線與上位機(jī)通信的跟蹤伺服控制器，并綜合闡述了該控制器的功能、硬件設(shè)計(jì)和軟件流程。該控制器具有兩路雙極性模擬信號(hào)輸入，兩路單極性模擬信號(hào)輸入，四路雙極性模擬信號(hào)輸出，可滿足控制兩個(gè)三相IGBT的12路PWM輸出，一路CAN總線，三路RS422和一路RS232串行通信口，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)通信能力,是良好的數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TMS320F2812是一款專為電機(jī)控制所設(shè)計(jì)的芯片，片上集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源。設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了這一特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了外圍電路，降低了系統(tǒng)的功耗。根據(jù)電路中各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)控制器大體分為三個(gè)部分：處理器部分、外圍通信接口部分和模擬信號(hào)處理部分。控制器的總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖中，處理器由DSP和FPGA組成，完成板上主要的信息處理。上位機(jī)通過CAN總線向控制器發(fā)送指令，并能及時(shí)獲得工作狀態(tài)等反饋信息。位置信號(hào)與位置增量信號(hào)分別通過三個(gè)RS422通信口傳給DSP，由DSP作相應(yīng)處理。兩軸的速度和電流反饋信號(hào)分別由板上的雙極性和單極性模擬電路采樣得到。DSP與FPGA之間通過DSP的系統(tǒng)外部接口（XINTF）進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。D/A轉(zhuǎn)換器的控制是通過FPGA內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換接口模塊接收DSP輸出的數(shù)字量實(shí)現(xiàn)的；計(jì)算機(jī)調(diào)試接口采用了一路RS232。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1DSP與FPGA模塊

32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F21812整合了DSP和微控制器的最佳性能，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法運(yùn)算，或兩個(gè)16×16位乘法累加運(yùn)算，處理速度最高可達(dá)150MIPS。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，內(nèi)核電壓為1.8V@135MHz,1.9V@150MHz,I/O端口電壓3.3V[5,6]。其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，能夠真正實(shí)現(xiàn)單片控制,為電機(jī)的伺服控制提供良好的控制功能[7]。

FPGA選型時(shí)綜合考慮片上邏輯單元和用戶I/O口數(shù)量，以及功能擴(kuò)展的需要。這里根據(jù)前期仿真結(jié)果選用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144I7,它具有2910個(gè)邏輯單元，104個(gè)用戶I/O和1個(gè)鎖相環(huán)，內(nèi)核電壓1.5V，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)[8,9]。由于FPGA具有高速并行處理能力，保證了系統(tǒng)的同步性[10]。它的I/O口支持3.3VLVTTL電平，與DSP管腳電平兼容，因此不用進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可直接連接，使用方便。

DSP的功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，在此主要實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令，完成位置環(huán)和速度環(huán)反饋的雙閉環(huán)PID控制算法，產(chǎn)生PWM輸出。根據(jù)系統(tǒng)采樣頻率調(diào)整事件管理器的定時(shí)器控制寄存器的控制字來設(shè)定PWM工作方式和頻率，通過調(diào)整比較寄存器的數(shù)值來改變PWM的占空比，根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)置死區(qū)控制寄存器的數(shù)值，以及來調(diào)整死區(qū)時(shí)間，通過專用的PWM輸出口輸出占空比可調(diào)的帶有死區(qū)的PWM信號(hào)[11]。

DSP與FPGA之間實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞是系統(tǒng)成功的一個(gè)關(guān)鍵因素。這里選用DSP上的系統(tǒng)外部接口(XINTF)與FPGA連接，在FGPA內(nèi)部配置一個(gè)與DSP讀寫時(shí)序相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀寫接口。實(shí)驗(yàn)證明，這是一種穩(wěn)定有效的方法。

2.2CAN總線及其他通信接口模塊

CAN總線具有低成本、易開發(fā)、實(shí)時(shí)性好以及抗噪聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，傳輸速率最高為1Mb/s，最大傳輸距離為10km(5kb/s)。CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低，同時(shí)降低了應(yīng)用程序的復(fù)雜程度，從而使通信更加可靠?，F(xiàn)在它逐步發(fā)展成為用于工業(yè)領(lǐng)域控制、通信的現(xiàn)場(chǎng)總線[12]。

由于實(shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，所以選用了抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線作為與上位機(jī)的通信方式，TMS320F2812內(nèi)部集成了一個(gè)eCAN模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0B協(xié)議，只需加相應(yīng)的CAN收發(fā)器外圍電路就可以輕松實(shí)現(xiàn)。DSP芯片的CAN總線控制器與CAN物理總線的接口選用PCA82C250驅(qū)動(dòng)器芯片。為了增強(qiáng)抗干擾能力,保護(hù)CAN控制器,在TMS320F2812與PCA82C250之間加高速光隔。光隔離器采用6N137芯片，其速度為10MHz。硬件電路如圖2所示。

其他通信接口模塊包括一路RS232和三路RS422。設(shè)計(jì)時(shí)為保證與系統(tǒng)的其他部分匹配，都采用了通常的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊

根據(jù)轉(zhuǎn)換通道數(shù)、精度和轉(zhuǎn)換速度，D/A轉(zhuǎn)換芯片選擇BURR-BROWN公司的DAC7614。它是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，四路模擬輸出，功耗只有20mW,單次轉(zhuǎn)換建立時(shí)間10μs。使用單極性輸出時(shí)，采用＋5V供電；雙極性輸出時(shí)，采用±5V供電。在此需要用到雙極性輸出，基準(zhǔn)電壓源選用LM336-2.5，負(fù)電壓基準(zhǔn)采用反相放大方式產(chǎn)生。為避免外電路對(duì)板內(nèi)數(shù)字電路的干擾，需要對(duì)數(shù)字部分進(jìn)行光電隔離。

A/D轉(zhuǎn)換采用TMS320F2812內(nèi)部集成的12位高速A/D轉(zhuǎn)換器。由于它的A/D轉(zhuǎn)換通道只能輸入電壓范圍在0～3V以內(nèi)的模擬信號(hào)，因此需要對(duì)輸入的雙極性電壓信號(hào)進(jìn)行處理，具體電路如圖3所示。圖中D1和D3兩個(gè)二極管將輸入到DSP的電壓鉗制在0～3.3V以內(nèi)，這樣有效地保護(hù)了DSP。同時(shí)為了提高A/D的轉(zhuǎn)換精度，采樣時(shí)還需要進(jìn)行軟件校準(zhǔn)。原理是由于各A/D通道間的誤差很小，所以將其中的兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道接在已知的固定電壓信號(hào)上，在對(duì)信號(hào)采樣前，先對(duì)這兩個(gè)已知的固定電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，從而確定A/D的增益和偏移誤差。

3軟件流程

系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化各端口和相關(guān)變量，同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)軸所停的位置和其他狀態(tài)。如果各部分狀態(tài)正常，則等待接收上位機(jī)開始指令，接收到開始指令后進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。因?yàn)檎麄€(gè)跟蹤系統(tǒng)需要同步工作才能產(chǎn)生有效的數(shù)據(jù)，所以需要等待外同步脈沖信號(hào)，在這里以外部中斷的形式接收。然后一步步完成控制算法，當(dāng)收到結(jié)束指令時(shí)完成所有工作。基本軟件流程圖如圖4所示。

本文給出了一種基于DSP和CAN總線的光電跟蹤系統(tǒng)伺服控制器的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。實(shí)驗(yàn)證明，這種結(jié)構(gòu)緊湊靈活，控制算法完全由控制器完成，使用CAN總線的方式傳輸上位機(jī)指令，安全可靠，易于擴(kuò)展，使計(jì)算機(jī)完全從工作現(xiàn)場(chǎng)解脫出來，在工程應(yīng)用中有重要意義。

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