基于dsp的運(yùn)動控制器的課程設(shè)計(jì)說明書

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>　　題 目： 基于DSP的運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　課 程： DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)</p><p>　　院 （部）： 信息與電氣工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)： </p>

2、<p>　　班 級： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： 2013年7月</p><p><b>　　目錄

3、</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)目的</b></p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)要求I</b></p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)內(nèi)容 I</b></p>&l

4、t;p>　　3.1系統(tǒng)的構(gòu)成與原理I</p><p>　　3.1.1.系統(tǒng)的構(gòu)成I</p><p>　　3.1.2.系統(tǒng)的工作原理I</p><p>　　3.2系統(tǒng)的硬件電路描述.I</p><p>　　3.2.1電源模塊.I</p><p>　　3.2.2.外圍存儲器模塊I</p>&

5、lt;p>　　3.2.3.USB模塊I</p><p>　　3.2.4.SCI串口模塊I</p><p>　　3.2.5.PCI總線模塊I</p><p>　　3.2.6.I/O輸入輸出接口模塊I</p><p>　　3.2.7.DSP+CPLD主控模塊I</p><p><b>　　總結(jié)與致

6、謝.I</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn).I</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　由于DSP將超強(qiáng)的高速實(shí)時處理能力和豐富的外設(shè)功能集于一身，目前，以DSP為核心的嵌入式運(yùn)動控制器已經(jīng)成為開放式運(yùn)動控制器的發(fā)展主流，并獲得廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)要求對運(yùn)動控制器基本

7、功能進(jìn)行研究，在分析、消化已有的基于DSP的運(yùn)動控制器硬件資源基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種運(yùn)動控制器。本運(yùn)動控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心模塊和 CPLD 驅(qū)動與擴(kuò)展模塊；通信接口模塊，包括 PCI 總線、USB 總線和串口；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲器模塊。</p><p>　　關(guān)鍵詞：DSP；CPLD；USB；I/O</p><p>

8、;<b>　　1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　運(yùn)動控制器是一種用于多種運(yùn)動控制場合的上位控制單元，通常采用專業(yè)運(yùn)動控制芯片或高速DSP來控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。運(yùn)動控制器與PC機(jī)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控工作；控制器完成運(yùn)動控制的細(xì)節(jié)。運(yùn)動控制器配有庫函數(shù)供用戶調(diào)用，這種開放的結(jié)構(gòu)能夠廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動化的各個領(lǐng)域。</p>

9、<p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　由于DSP將超強(qiáng)的高速實(shí)時處理能力和豐富的外設(shè)功能集于一身，目前，以DSP為核心的嵌入式運(yùn)動控制器已經(jīng)成為開放式運(yùn)動控制器的發(fā)展主流，并獲得廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)要求對運(yùn)動控制器基本功能進(jìn)行研究，在分析、消化已有的基于DSP的運(yùn)動控制器硬件資源基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種運(yùn)動控制器。本運(yùn)動控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個模塊：DSP+

10、CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心模塊和 CPLD 驅(qū)動與擴(kuò)展模塊；通信接口模塊，包括 PCI 總線、USB 總線和串口；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲器模塊。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求，選擇確定DSP芯片型號，給出系統(tǒng)的各個硬件電路模塊具體電路的實(shí)現(xiàn)過程。</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p&

11、gt;　　3.1系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　硬件結(jié)構(gòu)主要分為如下幾個模塊：DSP+CPLD 主控模塊，包括 DSP 核心模塊和 CPLD 驅(qū)動與擴(kuò)展模塊；通信接口模塊，包括 PCI 總線、USB 總線和串口；I/O 輸入輸 出接口模塊以及外圍存儲器模塊。</p><p>　　3.1.2 系統(tǒng)的工作原理

12、0;   本系統(tǒng)由上位機(jī)通過雙端口RAM把運(yùn)動控制指令或控制參數(shù)傳遞給運(yùn)動控制器的DSP，DSP根據(jù)采集到的PC機(jī)指令，通過位置控制和速度控制算法進(jìn)行計(jì)算。然后將計(jì)算出的脈沖信號經(jīng)脈沖驅(qū)動送電機(jī)驅(qū)動。</p><p>　　3.2系統(tǒng)的硬件電路描述</p><p>　　3.2.1 電源模塊</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用外部5V直流電壓供電，電源插

13、孔標(biāo)識為內(nèi)正外負(fù)。電源芯片TPS767D318為雙電源輸出，一路為3.3V、一路為1.8V，分別為外圍電路和CPU供電。每路電源的大輸出電流為1A。</p><p>　　3.2.2 外圍存儲器模塊</p><p>　　選用的RAM 型號為CY7C1021，64K×16bit 大小。在我們的核心板中，通過與門電路實(shí)現(xiàn)邏輯將其共用為程序RAM 和數(shù)據(jù)RAM。</p>&

14、lt;p>　　3.2.3 USB模塊</p><p>　　PDIUSBD12 是一個性能優(yōu)化的USB器件。通常用于基于微控制器的系統(tǒng)并與微控制器通過高速通用并行接口進(jìn)行通信也支持本地DMA。傳輸該器件采用模塊化的方法實(shí)現(xiàn)一個USB接口允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統(tǒng)微控制器允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時間、風(fēng)險和成本。主端點(diǎn)有雙緩存配置，增加吞吐量，容

15、易實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，在塊傳輸模式下有1MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率，在同步傳輸模式下有1Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率。具有總線供電能力有非常好的EMI性能；片內(nèi)8kV靜電保護(hù)；雙電壓工作(3.3±0.3 V)或擴(kuò)大的5 V電壓范圍3.6~5.5 V，多中斷模式方便塊傳輸和同步傳輸。</p><p>　　3.2.4 SCI串口模塊</p><p>　　RS232接口芯片采用的是MAXIM 公

16、司的MAX232。板上TX_232,RX_232 標(biāo)識是指PC端的的發(fā)送和接收。串行通訊的雙方的TX，RX必須反接。所以在原理圖MAX232 電路中PC的TX_232 輸出的是目標(biāo)板的SCIRXD，目標(biāo)板的SCITXD 經(jīng)過MAX232 上輸出的是PC 的RX_232。MX232具體學(xué)習(xí)請參考其數(shù)據(jù)手冊。</p><p>　　3.2.5 PCI總線模塊</p><p>　　本系統(tǒng)在用作插卡

17、式運(yùn)動控制時利用 PCI 總線實(shí)現(xiàn)DSP 與PC 的通信。PCI（PeripheralComponent Interconnect 外圍部件互聯(lián)）總線是Intel 公司聯(lián)合其他100 多家公司于1992 年推出的基于新一代處理器的一種局部總線，是一種高性能32/64 位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線，能為CPU 及外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)。PCI 總線具有嚴(yán)格的規(guī)范，目前已經(jīng)發(fā)布了PCI V1.0 和V2.1規(guī)范，保證了其良好的兼容性；PCI 總線與CP

18、U 無關(guān)，與時鐘頻率也無關(guān)，可適用于各種平臺，支持多處理器和并發(fā)工作；PCI 總線可以提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，還具有良好的擴(kuò)展性。因此，PCI 總線在基于計(jì)算機(jī)總線的運(yùn)動控制系統(tǒng)，即“PC+運(yùn)動控制器”的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。</p><p>　　3.2.6 I/O輸入輸出接口模塊</p><p>　　本系統(tǒng)的輸入/輸出是通過CPLD 的邏輯控制來實(shí)現(xiàn)的，以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設(shè)計(jì)柔性?？?/p>

19、慮到運(yùn)動控制器的可擴(kuò)展性以及DSP 的GPIO 引腳的數(shù)量，共設(shè)計(jì)了16 路數(shù)字量輸出通道和16 路數(shù)字量輸入通道。數(shù)字量輸出通道主要用于各軸方向、脈沖信號的輸出以及一些外部設(shè)備的啟?？刂?，如主軸及冷卻液的開關(guān)控制等；數(shù)字量輸入通道可根據(jù)用戶具體要求來定義其用途，如作為傳感器接口，用于零點(diǎn)、限位信號的輸入等。為提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，系統(tǒng)輸出采用了普通輸出和差分輸出兩種方式，具體使用可由用戶自行設(shè)定。</p><p&g

20、t;　　3.2.7 DSP+CPLD 主控模塊</p><p>　　本系統(tǒng)采用了TI 公司的TMS320F2812 DSP 為控制核心，這是工業(yè)界首批32 位的控制專用、內(nèi)含F(xiàn)LASH 以及高達(dá)150MHz 主頻的數(shù)字信號處理器，專門為工業(yè)自動化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動化控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。TMS320F2812 采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間；具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r地處理許多復(fù)雜的控制算法；片上內(nèi)存豐

21、富，可支持45 個外設(shè)級中斷和3 個外部中斷，提取中斷向量和保存現(xiàn)場只需9 個時鐘周期，響應(yīng)迅速；片上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，包括兩個事件管理器（EV）、12 位A/D、兩個串行通信接口（SCI）、一個串行外圍接口（SPI）以及一個多通道緩沖串行接口（McBSP）等；其通用輸入/輸出多路復(fù)用器（GPIO）擁有多達(dá)56 個I/O 口，在系統(tǒng)的軟件開發(fā)中正是利用了這些豐富的內(nèi)外設(shè)資源，才實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的各種功能。</p><

22、;p>　　本系統(tǒng)中選用的 CPLD 是Altera 公司MAX3000A 系列的EPM3128，這是一款高性能、低功耗的基于EEPROM 的PLD。由于本系統(tǒng)的控制對象是步進(jìn)電機(jī)，所以設(shè)計(jì)中主要利用TMS320F2812 的GPIO 口進(jìn)行電機(jī)控制接口與I/O 接口的輸入輸出，但是由于TMS320F2812是低功耗處理器，其GPIO 引腳的輸出驅(qū)動能力有限，而且由于DSP 是主控核心，負(fù)載比較多，所以將所有輸出信號都經(jīng)過CPLD

23、驅(qū)動后輸出，提高信號的驅(qū)動能力。此外，CPLD還用于系統(tǒng)電路的譯碼，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。</p><p><b>　　總結(jié)與致謝</b></p><p>　　運(yùn)動控制技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的核心，近年來，隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)的大力發(fā)展，開放式運(yùn)動控制器也得到了前所未有的發(fā)展。運(yùn)動控制器作為一個獨(dú)立的工業(yè)自動化控制類標(biāo)準(zhǔn)部件，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且已經(jīng)達(dá)到

24、一個令人矚目的市場規(guī)模。DSP 的高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能都得以實(shí)現(xiàn)，且DSP 將實(shí)時處理能力和豐富的外設(shè)功能集于一身，大幅度減少了控制器外部元器件的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。目前，以DSP 為核心的嵌入式運(yùn)動控制器已經(jīng)成為開放式運(yùn)動控制器的發(fā)展主流，并得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本文通過對運(yùn)動控制器基本功能的研究以及對 DSP 在運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用的分析，在已有的基于DSP 的運(yùn)動控制

25、器的硬件平臺上，研制開發(fā)了配套的功能軟件，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的運(yùn)動控制功能。</p><p>　　控制器已經(jīng)成為開放式運(yùn)動控制器的發(fā)展主流，并得到了廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)的過程和設(shè)計(jì)說明書的撰寫過程中，魏老師給予了我熱心的幫助和大力的支持，給我提了諸多的寶貴意見，拓寬了我的思路。在此我向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p>　　在我的學(xué)習(xí)過程中，高老師也給了我耐心的指導(dǎo)和幫助。我在此對各位

26、老師表示誠摯的感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 吳宏，蔣仕龍，龔小云等，運(yùn)動控制器的現(xiàn)狀與發(fā)展，制造技術(shù)與機(jī)床，2004.</p><p>　　[2] 郗志剛，周宏甫，運(yùn)動控制器的發(fā)展與現(xiàn)狀，電氣傳動自動化，2005. </p><p>　　[3] 張清明，基于DSP 的開

27、放式運(yùn)動控制器的研究及應(yīng)用，[碩士學(xué)位論文]，武漢，華中</p><p>　　科技大學(xué)，2002.</p><p>　　[4] 劉全秀，數(shù)控系統(tǒng)中DSP 運(yùn)動控制卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，[碩士學(xué)位論文]，武漢，華中科</p><p><b>　　技大學(xué)，2002.</b></p><p>　　[5] 鄒繼榮，基于DSP 運(yùn)動控制

28、卡的研究與開發(fā)，[碩士學(xué)位論文]，南京，南京航空航天</p><p><b>　　大學(xué)，2006. </b></p><p>　　[6] 蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶鋒，TMS320F2812 原理與開發(fā)，北京，電子工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[7] 陳志強(qiáng)，郇極. 嵌入式運(yùn)動控制器平臺的研究與設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息，2006.</p&