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基于在系统可编程技术的PC运动控制卡研究

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了在系统可编程(ISP)器件及其优点,分析了PC多轴运动控制卡关键电路的作原理,并由高密度的ISP器件设计实现,运动结果表明所设计的电路完全达到了设计要求。

    关键词:在系统可编程 双口RAM 多轴运动控制卡

当今,数控系统正在朝着高速度、高精度以及开放化、智能化、网络化的方向发展,而高速度、高精度是通过控制执行部件(包括运行控制卡及伺服系统)来保证的。以往的运动控制卡主是基于单片机和分立数字电路制作的,用以实现位置控制、光栅信号处理等功能。由于器件本身执行速度慢、体积大、集成度低,并且结构固定,电路制作完成以后,无法改变其功能和结构。采用在系统可编程技术,应用ispLSI器件开发的PC——DSP多轴运动控制卡,能够完全解决上述问题,适应数控系统发展的需要。

1 ISP器件及其优点

ISP(In-System Programmability)器件,是美国Lattice半导体公司于20世纪90年代初开发出的一种新型高密高速的现场可编程数字电路器件,具有在系统可编程能力和边界扫描测试能力,非常适合在计算机、通信、DSP系统以及遥测系统中使用。
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    在系统可编程技术与传统逻辑电路设计比较,其优点在于:(1)实现了在系统编程的调试,缩短了产品上市时间,降低了生产成本。(2)无需使用专门的器件编程设置,已编程器件无须仓库保管,避免了复杂的制造流程,降低了现场升级成本。(3)使用ISP器件,不仅能够在可重构器件的基础上设计开发自己的系统,还可以在不改变输入、输出管脚的条件下,随时修改原有的数字系统结构,真正实现了硬件电路的“软件化”,将器件编程和调试集中到生产最终电路板的测试阶段,使系统调试数字系统硬件现场升级变得容易而且便宜[1]。

2 在系统可编程技术应用

2.1 系统描述

本所自主开发的多轴运动控制卡采用的是主-从式PC-DSP系统。PC机的主要任务是提供良好的人机交互环境;而DSP(数字信号处理器)则作为系统执行者,以高速度进行算法实现、位置调节和速度调节,然后经过16位的D/A将数据送给伺服控制单元。系统不但可以进行高速度高精度控制,同时也是一个DSP伺服系统的开发平台。

PC运动控制卡采用美国德州公司DSP芯片TMS320F206作为系统的核心,运动控制卡由ISP模块、DSP-PC通信双口RAM模块、光栅信号输入模块、数/模转换电路模块四部分组成(见图1)。其中,ISP模块中包括了可变地址的译码电路、输入输出缓冲/锁存器电路、11位的自动加计数器电路、双端口RAM的控制电路以及PC机和DSP测验握手电路。本系统使用Lattice公司的ispLSI系列CPLD(复杂可编程逻辑器件)来实现这一部分数字电路和逻辑控制电路,如图2所示。
基于在系统可编程技术的PC运动控制卡研究
    2.2 双端口RAM访问控制的实现

对于本系统来说,PC机要发送控制指令和进行大量数据计算,数据交换应尽可能占用较少的机时和内存空间;此外,PC机的系统总线与DSP之间还要进行大量可靠的数据传输,它们均过多地占用CPU时间,导致CPU效降率低。使用双端口RAM,交换信息双方CPU将其当作自己存储器的一部分,可保证高速可靠的数据通信。我们选用2K×8bit的IDT7132,完全能够满足本系统中数据交换的要求。对双端口RAM访问,一般有三种方式,即映射内存方式、DMA方式和扩展I/O方式。映射内存方式访问双端口RAM,不需要周转,访问速度快。实模式及保护模式下,能对确定内存空间进行访问,实现对RAM任意存储单元读写;但在32位的Windows98和Windows NT操作系统下,不支持对确定内存空间的访问,要访问双端口RAM必须编写复杂的硬件驱动程序,难度很大。DMA方式访问端口RAM,传送数据的速度灵活、扩展I/O方式访问双端口RAM,可以按实现要求分配I/O端口,实现对双端口RAM所有存储单元读写,这种方式软、硬件设计都很简单。所以,扩展I/O方式访问双端口RAM是最佳方案。

从技术上来说,PCI总线是最先进的,不仅速度快,而且支持即插即用等特性,但控制卡上双端口RAM芯片是8们的IDT7132,而PCI总线是32位。为了简化设计,对PC机一方,采用了16位ISA总线, 通过扩展I/O方式访问双端口RAM。实际占用了两个I/O端口地址,一个作为计数器预置端口地址,一个作为双端口RAM读/写端口地址。PC机在读/写存储器之前,首先要通过

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