基于嵌入式系统的专用运动控制器硬件平台设计

1 引言

     随着嵌入式技术的迅速发展，其在工业控制领域得到了广泛应用。因此将嵌入式技术与运动控制技术相结合，研制出高速高精度嵌入式运动控制器具有重要意义。本文设计了一种以TMS320VC5402为核心处理器，适用于多输入多输出专用运动控制器硬件平台。该平台能够实现多传感器信号采集、信息融合、位置控制算法、网络功能、多路输出给驱动系统，实现信息/能量转换。

2 运动控制器平台硬件设计

2.1 运动控制器系统硬件结构

    根据运动控制器接口要求将系统分为主电路和外设两个部分。主电路部分由以TI公司的处理器芯片TMS320VC5402为主体的数字电路构成；外设部分由相关外围接口电路构成。按照功能不同可以分为以下几个模块：DSP最小系统、网卡接口电路、PCI接口、串口收发电路、模拟量，脉冲量和开关量的接口、人机交互接口。

2.2 硬件系统各功能模块介绍

2.2.1 DSP 独立小系统接口电路

    所谓最小系统是指在尽可能少的外部元器件和电路条件下，形成一个使DSP能够正常运行的最简单的系统。本系统采用16位定点DSP TMS320VC5402为核心器件，构成整个系统控制核心。由于选用的TMS320VC5402其片内有可用于数据、程序空间的存储器，因此，最小系统可由DSP本身以及晶体振荡器、复位电路、译码电路等组成。

2.2.2 以太网通信接口电路设计

    基于嵌入式系统的运动控制器非常重要的功能之一就是要实现网络信息传递。因此需要s用网络接口芯片来实现网络之间通信。在本系统中采用了REALTEK公司的RTL8019AS网络接口芯片。

    RTL8019AS 引脚可分为电源及时钟引脚、网络介质接口引脚、自举ROM及初始化EEPROM接口引脚、主处理器接口引脚、输出指示及工作方式配置引脚。由此将网卡硬件接口电路设计主要分为两大部分：第一部分为网卡与DSP接口实现，第二部分为网卡芯片外围电路设计。RTL8019AS的总线接口是与ISA总线兼容的，虽然不能与5402的外部总线直接接口，但是只要进行一些简单的逻辑变换就可以了。另外，5402和RTL8019AS的引脚电平不兼容，因此它们之间对应的引脚不能够直接相连，需要在中间加上电平转换芯片，系统中的CPLD可以完成电平转换功能，通过CPLD还能够产生RTL8019AS的控制逻辑信号。

2.2.3 PCI 接口设计

    由于在系统中对数据传输的速度以及实时性要求较高，所以采用方法之一即通过 PCI局部总线的方法与主机的进行通讯。这比传统的通过ISA总线的方式来通讯的方法具有速度高、可即插即用、可移植性好等方面的优势。在本系统中，采用 TI的专用配套芯片PCI2040将PCI总线与DSP5402的HPI（Host Port Interface）接口进行连接。

图1 运动控制器硬件框图

图2 AD转换接口电路图 图3 DA转换接口电路图

2.2.4 RS-422A串口设计

    RS422A 是一种以平衡方式传输的标准，可双端发送、双端接收。发送端和接收端分别采用平衡发送及差动接收。通过前者把逻辑电平变成电位差，完成始端信息传送；通过后者把电位差变成逻辑电平，完成终端信息接收。并且RS422A采用双线传输，大大提高了抗干扰能力。最大传输速率可达10 Mb/s（传输距离15 m时），传输速率降至90 kb/s时，最大传输距离可达1200 m，这能充分满足系统的远程要求。

    RS422 通信接口芯片的选择需要考虑芯片的通信速率是否满足要求, 在设计中选择MAXIM 的MAX3291 芯片。MAX3291 是一种全双工的高速的RS422 通信接口芯片,具有输出短路保护功能以及接收失效保护功能,它通过减少由长线引起的内部信号干扰来增加可靠通信的距离与速度,通信速度可以达到5～10 Mbps。同时,它还允许多达128 路同样的RS422 通信接口芯片接在同一总线上,这为多机通信提供了方便。

2.2.6 D/A 转换接口的实现

    D/A转换芯片采用TI公司的DAC7625UB。DAC7625UB与DSP的接口硬件电路如图3所示。
图中VrefH、VrefL分别为DA转换的参考高电压和参考低电压，它表示模拟量输出在两者之间变化；CSDAC为选通信号低电平有效；R/W为读/写信号，高电平代表处理器向DA发出读命令，低电平表示向DA发出写命令； DA1-DA3表示4通道的模拟量输出接口用来指示AD转换完成；RST作为DA的复位信号，当该复位有效时，DA处于初始状态；LDAC为处理器装载 DA的使能信号。同样，DA的这些控制和状态信号都连在CPLD的I/O上，通过对CPLD编程即可实现处理器和DA的接口。

2.2.7 开关量和脉冲量接口

    系统提供7路标准TTL电平的脉冲量输入输出接口。包括2路20s一个下降沿有效的脉冲；2路周期分别为20ms和5ms，3V－5V差分方式脉宽 10us-20us，脉冲上升沿不超过0.5us；周期1ms，3V－5V差分方式脉宽10us-20us的信号3路。同时还需要处理14路直流+24V 和4路直流+27V开关量。可以通过CPLD实现这部分功能，并且使系统具有可扩展性。由于脉冲量和开关量接口部分的电平与系统提供的电平不一样，因此需对脉冲量进行隔离转换，用到的器件主要是光电隔离和运算放大器。

    脉冲量隔离转换电路是为了测量脉冲量周期、频率等值设计的，脉冲量通过高速光电隔离器件6N137进行电气隔离，减少干扰，然后送入CPLD，通过编写相应的硬件描述语言，实现脉冲信号周期、频率的测量。

3 实验结果和结论

    在完成运动控制器硬件设计之后，我们使用TI的集成开发环境CCS进行开发，通过仿真器在开发目标板上进行仿真调试，现已脱机运行。初步实验表明该平台实现了多路模拟量、脉冲量和开关量的输入输出，能完成与网络中其它主机通信。由于TMS320VC5402强大的运算功能，因此很容易就可实现多传感器采集数据的信息融合和相应的位置控制算法。