基于DSP和CPLD的运动控制卡设计与实现

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华中科技大学硕士学位论文基于DSP和CPLD的运动控制卡设计与实现姓名:胡吉柱申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:刘宏2011-01-17华中科技大学硕士学位论文I摘要开放式体系结构的数控系统已成为当今数控技术发展的主要研究方向之一,其中,“计算机+运动控制卡”的模式已成为开放式数控技术发展的主流方向。在该模式中,运动控制卡的性能优劣成为影响数控系统整体性能的关键因素。在分析与总结了当前国内外相关研究成果的基础上,针对运动控制卡的设计问题,提出一种基于数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)和复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)联合控制技术的运动控制卡解决方案。在该解决方案中,运动控制卡采用PCI总线协议与计算机通信,实现了复杂轨迹运动的实时控制功能。在关键技术上,引入PCI总线控制器于CPLD片上集成技术,提高了频繁插拔型PCI总线设备的可靠性和安全性;研发了匀速输出状态可控FIFO(FirstInputFirstOutput,先入先出)的“漏水算法”,为用户端提供了更高效实用的API(ApplicationProgrammingInterface,应用程序编程接口),使终端用户开发应用产品更加便捷高效,同时,保证了下层硬件输出控制的实时性与稳定性;采用DSP与CPLD复用RAM技术实现数据交互,极大的提高了带宽利用率;在高性能DSP上引入插补算法,实现了复杂轨迹坐标点的插补运算功能,使运动控制卡具备复杂轨迹控制信号的实时输出能力。实验表明,基于DSP和CPLD的运动控制卡方案实现了高速、精确、实时、稳定的复杂轨迹运动控制,且接口广泛支持市面上多种类型的主流数控机构,是一款低成本、高性能及多功能的运动控制解决方案。关键词:数控系统,嵌入式系统,运动控制,数字信号处理器,复杂可编程逻辑器件华中科技大学硕士学位论文IIAbstractOpenarchitectureCNC(computernumericalcontrol)hasbecomethepopulartrendofCNCtechnology,andthemodeofindustrialcomputerwithmotioncontrolcardisthemainstreamofthedevelopmentofopenCNCtechnology.Inthismode,theperformanceofmotioncontrolcardactsasonekeyfactortodecidesystemperformance.Afteranalyzingandsummarizingthecurrentstatusofrelatedresearchbothathomeandabroad,amotioncontrolcardwasdesigned,whichisbasedonDSP(DigitalSignalProcessor)andCPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)jointcontroltechnology,usingPCIbustocommunicatewithindustryPC.Itachievedreal-timecomplextrajectorycontrol.TheintegrationtechnologyofintroducingPCIbuscontrollerintheCPLDchipimprovedthereliabilityandsecurityoffrequentlypluggingPCIdevice.AndwedevelopedaleakagealgorithmwhichcontrolsFIFOintheconditionofdifferentreadandwriterates,itnotonlysuppliesmoreefficientandpracticalAPIinterface,butalsomakesendusersmoreconvenientandefficienttodevelopapplications,andensuredreal-timeandstabilityofthehardwareoutput.ThesharingofSRAMbetweenDSPandCPLDfordatainteraction,greatlyimprovedthebandwidthutilization.Theintroductionoftheinterpolationalgorithmonhigh-performanceDSPrealizedthecomplexcoordinatescomputationsoftheinterpolationtrajectory.DSPmakethemotioncontrolcardgaintheabilityofreal-timecomplextrajectorycontrol.ExperimentalresultsshowthatthismotioncontrolcardbasedonDSPandCPLDcanachievehigh-speed,accurate,real-timeandstablecontrolofcomplextrajectoryanditsinterfacecansupportmanytypesofCNCinstitutionsinthemarket.So,thiscardisasolutionoflowcost,highperformanceandmulti-purpose.Keywords:ComputerNumericalControl,EmbeddedSystem,MotionControl,DSP,CPLD独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□,在_____年解密后适用本授权书。不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年月日日期:年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论本章重点阐述“基于DSP和CPLD的运动控制卡设计”这一研究课题的诞生意义与相关背景,并将针对性的提出该运动控制卡的应用对象及设计要求。1.1课题背景及意义传统产业受高新技术的推动,发生了深刻的变革。机械工业作为传统产业之一,受技术革命的冲击,产品结构和生产系统结构都发生了很大变化,通过采用微电子技术与微计算机技术,信息和智能与机械装置和动力设备结合,机械工业开始了一场大规模的机电一体化革命[1]。随着计算机、传感器和电子电力等技术的发展,各个先进国家的机电一体化产品层出不穷。激光打标机、数控机床、数控医疗设备、印刷机械及智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展[2]。机电一体化技术在提高工作效率、改善生活质量、降低能源与材料损耗、增强企业核心竞争力等方面起着极大的作用。随着机电一体化技术的发展,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到迅速的发展,各厂家不断推出运动控制技术的新产品[3]。运动控制卡能对各类采用模拟信号、数字信号、脉冲信号等信号控制的机电一体化设备进行高速精确实时的运动控制,它作为一款运动控制领域的关键产品,其执行速度、定位精度与稳定性将成为影响各机电一体化设备实际工作效能的决定性因素[4]。本文提出一种基于数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)和复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)联合控制技术的高速运动控制卡,其当前应用针对振镜式激光打标机的定位控制,并为今后开发实用的、高精度的、低成本的医疗诊断设备控制器奠定基础。基于DSP和CPLD的运动控制卡的硬件接口和逻辑电路通过对CPLD芯片编程来实现,而运动控制算法通过在DSP上编程来实现,该方案相比传统的采用单片机作为控制核心的运动控制卡而言,不仅克服了单片机运算速度慢、易受电磁干扰等缺点,还在灵活性和移植性等方面得到了很大的提高。本课题受到国家自然科学基金“基本四元数的彩色图像边缘检测和分割方法研华中科技大学硕士学位论文2究”(项目编号:60972098)的支持。1.2运动控制技术研究概况运动控制技术起源于早期的伺服控制技术,即对机械运动部件的位置、速度等参数进行实时控制,使其按照预定的运动轨迹和参数进行相应的运动。早期的运动控制技术的发展伴随着数控技术、工厂自动化技术和机器人技术的发展,往往无需另外的处理器和操作系统支持,能够独立运行。这类控制器主要针对专门应用而设计,用户往往只需编写相应的代码文件到控制器中,控制器即可完成相关的动作。但是这类控制器开放性不佳,难以根据用户要求的改变而重组系统。因此通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。1.2.1国外的应用与发展国外对运动控制技术的研究起步较早,技术成熟,尤其以美国最具代表性。美国空军在1987年由美国政府资助,发表了著名的“下一代控制器(NextGenerationController,NGC)研究计划”[5],其中的一项重要内容就是提出了“开放系统体系结构标准规格(OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystem,OSACA)”[6]。从1996年开始,美国几个大的科研机构分别对下一代控制器计划发表了相应的研究内容[7],例如,美国国际标准研究院在美国海军支持下提出了“增强型机床控制器(EnhancedMachineController,EMC)”;由美国通用、克莱斯勒和福特三大汽车公司联合研制了“开放式、模块化体系结构控制器(OpenandModularArchitectureController,OMAC)”[8],它的目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性和敏捷度。下一代控制器计划启动后不久便公布了一个名为“开放式、模块化体系结构控制器应用程序接口(OpenandModularArchitectureControllerApplicationProgrammingInterface,OMACAPT)”的规范,并促成了一系列相关研究项目的启动与运行[9]。20世纪90年代,受市场需求的推动,许多发达国家的通用运动控制技术发展迅速,应用广泛。通用运动控制技术的不断进步和完善,近年已经被越来越多的产业领域接受,市场规模不断扩大。ARC顾问集团的一份研究显示,世界通用运动控制市场已经超过40亿美元,并且很有可能在未来5年内综合增长率达到6.3%[10]。目前国际上主流运动控制器可以根据结构分为三大类[11]。华中科技大学硕士学位论文3⑴基于计算机标准总线的运动控制器。这种运动控制器是将各类开放体系的独立运动控制器和与计算机相结合,多采用计算机CPU或DSP作为处理器,它能独立的完成实时插补、伺服滤波控制、伺服驱动、统一外部I/O等功能,借助于计算机操作系统及其开放的函数库,设计者可依据不同需求设计成相应的各种控制系统。目前市场上的主流产品就是这种运动控制器。⑵软件型开放式运动控制器。其硬件部分较为简洁,仅提供计算机与伺服驱动及外部I/O间接口统一的功能,而其运动控制功能则全部交由计算机上的软件完成。该类运动控制器成本低廉,能够为开发商提供一个更加灵活的开发平台。用户可以根据自身需求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