解析基于DSP的运动控制系统设计

　　随着工业中对运动控制的速度和要求越来越高，一般运动控制系统难以取得满意的控制效果。当前的数字电机控制系统中，大多采用单片机控制，由于单片机的结构和复杂的指令系统存在运算速度较慢，处理能力有限等问题。因此，单片机不能满足那些实时性和要求较高的控制场合。结合CNC齿轮测量中心，这里提出一种基于DSP的运动控制系统。该系统设计是以TMS320LF2407A型DSP为控制，采用“PC+CPLD+DSP”方案，实现电机的位置控制。

　　1 运动控制系统组成

　　CNC齿轮测量中心是信息技术、计算机技术和数控技术在齿轮测量仪器上集成应用的结晶，是坐标式齿轮测量仪器发展中的一个里程碑。该仪器实质上是含有一个回转角坐标的四坐标测量机——圆柱坐标测量机，主要用于齿轮单项几何的检测，也可用于（静态）齿轮整体误差的测量。

　　图l为基于CNC齿轮测量中心的运动控制系统原理框图，它主要由CAMAC接口电路、信号采集、DSP外围电路和电机驱动等4部分组成。

　　上位机发送指令给以TMS320LF2407A型DSP为的控制系统，DSP以中断方式接收控制指令和参数，传感器信号反应测头与被测工件之间的位置偏差，该模拟信号经幅值变换电路后，作为控制信号送至DSP的A／D转换器。经片内控制器处理后，输出所接收到的控制指令和参数，经脉冲发生器和驱动放大电路送给步进电机，驱动电机执行相应动作。从而该运动控制系统能够测量被测工件。

　　2 系统硬件电路设计

　　2.1 DSP器件

　　数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

　　选用的TMS320LF2407A型定点DSP，采用高性能静态CMOS技术，供电电压为3.3 V，使得控制器功耗降低。片内集成有高达32 K字的Flash程序存储器，1.5 K字的数据／程序RAM，544字的双口RAM和2 K字的单口RAM。执行速度高达40 MI／s，提高控制器的实时控制能力。TMS3-20LF2407A具有2个时间管理模块EVA和EVB，每个事件管理器有2个16位通用定时器，8个16位脉宽调制（PWM）输出通道。该模块可实现同步A／D转换功能，高性能10位模数转换器的转换时间为375 ns，提供多达16路的模拟输入，具有自动排序功能，1个TMS320LF2407A控制器可控制多个电机。

　　2.2 幅值变换电路

　　在基于TMS320LF2407A的CNC齿轮测量中心的运动控制系统中，A／D转换器采集的信号是传感器的电压信号。传感器输出信号的范围为0～10 V，但TMS320LF2407A的A／D转换模块接收模拟信号为0～3.3 V的电压信号，为此，需对输入A／D转换器模块的传感器信号进行调理，转换成适合A／D转换模块0～3.3 V的电压信号，提供给DSP采样。图2为幅值转换电路。VIN为传感器输出经调理的O～10 V的电压信号；ACDI-N01为经过调理后输出的0～3.3 V电压信号（其中ACDIN01与DSP的ACDIN0l相连）。

　　2.3 JTAG边界接口电路

　　TAG是英文“Joint Test Action Group（联合测试行为组织）”的词头字母的简写，该组织成立于1985 年，是由几家主要的电子制造商发起制订的PCB 和IC 测试标准。JTAG 建议于1990 年被IEEE 批准为IEEE1149.1-1990 测试访问端口和边界扫描结构标准。该标准规定了进行边界扫描所需要的硬件和软件。自从1990 年批准后，IEEE 分别于1993 年和1995 年对该标准作了补充，形成了现在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。

　　在对DSP系统硬件仿真时，通过JTAG边界扫描接口在线监控DSP内部数据存储器、程序存储器和控制寄存器，能在TMS320LF2407A的开发环境CCS中程序到DSP器件中并进行硬件仿真。JTAG是一个14针的接口，与TI公司的仿真器相连。JTAG接口与TMS320LF2407A的连接如图3所示。其中EMU0和EMUl信号通过推荐的阻值为4.7 kΩ和10 kΩ的上拉电阻连接到3.3 V的电源，这样可保证信号上升时间小于10 μS。

　　2.4 CAMAC接口电路

　　目前普遍采用微型或小型计算机及CPLD等作为CAMAC系统的控制元件，对于CAMAC，它是以仪器和接口为中心的系统组合，计算机和系统中的仪器设备都是通过接口挂在CAMAC总线上。它们之间无直接接口关系，当改换不同型号的计算机时，只需更换相应的接口即可，大大减少系统对计算机型号的依赖性和接口总数，使CAMAC测控系统易于实现与各种新型计算机的连接。

　　CAMAC接口电路完成逻辑极性转换、接收总线信息，将N，A，F命令全译码，生成Q、L、X信号，并产生与总线相适应的输出。CAMAC命令在CPLD中进行设计完成，不同的N，A，F信号组合成不同的CAMAC命令，当使用已设计的CAMAC指令时便在相应的输出端产生高电平输出。此信号就可用于控制信号，CAMAC接口仿真如图4所示，从仿真图中看出，设计完成的CAMAC指令正确。

　　3 结束语

　　本系统为CNC齿轮测量中的运动控制构造一个硬件平台，将基于DSP的硬件平台应用到CNC齿轮测量中心，通过DSP内部的控制算法提高齿轮测量中心的测量。高性能的TMS320LF2407A器件实现控制系统中的复杂控制算法，大大提高控制系统的控制，在实时性和要求较高的场合具有广阔的应用前景。