一种基于DSP的运动控制器的设计

廖永忠 何湘华

（湖南第一师范学院信工系 湖南 长沙 410205）

0 前言

信息技术的快速发展带动了现代制造技术的进步，柔性化制造是现代制造技术的方向，希望制造系统能够根据外部情况进行动态调整，以适应外部环境的变化。相应的运动控制的要求也越来越高，而作为运动控制器核心器件的MCU，它的发展十分迅速，无论是运算速度，还是价格，都有了很大的发展，很多公司开发一大批性价比高的MCU，而且集成了大量针对不同应用的专用电路，来提高运算速度。综合上述的分析与论证，本文设计了一种基于TI公司的TMS320LF2407A的的运动控制器。

1 系统方案设计

本设计采用PC机和DSP通过通信来实现系统的方案，选用TI公司的TMS320LF2407A的DSP作为下位机的CPU，首先通过PC机对数据进行初步处理，然后把PC处理的数据通过DSP-PC通讯接口传给DSP，同时DSP读取光电编码器反馈的实时信号，再来计算实际位置与理论位置的偏差值，生成运动速度控制量，经过D/A转换后送给运动伺服放大器，然后控制伺服电机运动（系统的框图如图1所示）。

系统采用可编程逻辑电路（CPLD）完成地址译码、时序逻辑、编码器信号处理，用PCI接口芯片实现双口RAM与PC机的通讯，采用两个RMM存取数据，双口RAM用来存储通讯数据，SRAM用来存储运行时的程序和数据。

图1 系统原理图

2 硬件设计

2.1 DSP中断处理

对于运动系统来说，其工作行程是有空间的限制，当其超过了系统运动空间范围时，就需要系统能自动切断报警，本系统引入硬件中断和软件中断，包括限位中断和编码器INDEX信号中断两种不同。在每个控制轴上安装有正反方向的两个限位开关，它在超过行程的时候会产生两个开关限位信号，这样如果我们有3个轴，就会产生6个限位信号：LIMX+,LIMX-、LIMY+,LIMY-、LIMZ+,LIMZ-,这里的“+”表示正限位，“-”表示负限位。用CPLD完成它们逻辑运算后接到TMS320LF2407A的中断管脚XINT1，这个信号通过光藕电路接入TMS320LF2407A的I/O口。当运动系统处于超过行程的时候，限位开关就会工作，触发TMS320LF2407A的中断，然后TMS320LF2407A根据中断来判断哪个方向超过工作行程。通过设置MCRA(ADDRESS:7090H),MCRB(ADDRESS:7092H)让DSP的管脚为I/O口。然后从寄存器 PADATDIR(ADDRESS:7098H)和 PBDATDIR(ADDRESS:709AH)对应的数据位读取信息,在使用这些管脚时候，通过置0以使这些I/O管脚工作在“输入”状态下。编码器INDEX信号中断是使每个编码器能产生一个INDEX信号，这3个信号通过逻辑与门产生一个中断信号，接到XINT2,同时接到TMS320LF2407A的I/O口，供中断产生时DSP读入。

2.2 外扩RAM与译码

图2 DSP扩展RAM程序

TMS320LF2407A有内部数据存储器和程序存储器，由1.5K的数据/程序RAM以及544字双口DARAM和2K字的SARAM组成，它的外部数据总线与地址总线分别是16位，通过设置控制信号线的方式可以分别访问数据空间和地址空间，同时利用外扩存储器的方法来弥补存储空间太小而产生的问题，它支持扩展64K外部存储器，所以一般能满足大部分复杂控制算法对内存的要求。这里我们选用CY7C1021芯片作为外扩存储芯片，扩展64K的存储空间，其中32k作为数据存储器，32k作为程序存储器，CY7C1021是一个高速存储芯片，其最小访问时间是12ns，能实现与DSP芯片高速访问（TMS320LF2407最小时钟周期为25ns），而不需要等待时间，其中的32K数据存储器和32K片外程序存储器，其地址编码如下：数据存储器为8000H～FFFFH，片外程序存储器0000H～7FFFH，TMS320LF2407提供D/A模块的片选信号以及编码器模块的片选信号。另外TMS320LF2407还支持64K的I/0空间。 它的引脚 IS、R/W、WE、A3、A2、A1、A0 参与译码，由可编程逻辑芯片EPM7128STC100完成译码，为外设提供控制信号。DAC模块DACO～DAC3占用的I/0空间分别为00H-04H，编码器信号处理模块ENCONDER0～ENCODER3占用的I/0空间为05H～08H。

2.3 电源管理模块

TMS320LF2407的功耗较低，电源供电电压为3.3V，我们设计采用一个电压转换芯片AMS-1117，由它实现把5V电压转变为3.3V。

2.4 在线仿真和测试接口设计

TMS320LF2407A上设置有JTAG标准测试接口，方便我们对程序的仿真和调试，我们可以利用这个测试口在CCS中用PC机下载程序到TMS320LF2407A芯片，完成对硬件的仿真，节约开发成本。

图3 电源电路

图4 JTAG接口电路图

JTAG接口可以同TI的仿真器相连。JTAG接口与TMS320F2407A的连接如图4所示，外接EMUO和EMU 1接入两个上拉电阻，主要是为了加快信号上升时间。

3 结束语

本文设计了一种基于TMS320LF2407A芯片运动控制器，完成系统的硬件电路设计，利用TMS320LF2407A高速运算能力，完成实时数据的处理，并为后续复杂控制算法设计奠定基础。

［1］高盛涛.基于工业PC的6轴伺服控制卡的研究和实现[D].北京：中国科学院，2001.

［2］章云，谢莉萍，熊红艳.DSP控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社，2001.

［3］Incorporated TI.TMS320LF2407A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual[M].2004.