1、前言
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式，其核心思想之一是柔性化制造，制造系統(tǒng)能夠隨著加工條件的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整。目前，各類 MCU 快速發(fā)展，它們不僅運(yùn)算速度快、價(jià)格便宜、種類繁多，而目不同M CU 針對(duì)不同的應(yīng)用在其片上集成了專用控制電路，滿足了不同的應(yīng)用需求還提高了電路的安全性和穩(wěn)定性。綜合上述的分析與論證，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP＋CPLD 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)。
　　2、硬件設(shè)計(jì)
　　本運(yùn)動(dòng)控制卡是以PC 機(jī)作為主機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡，選用DSP 作為核心微處理器，卡上集成編碼器信號(hào)采集和處理電路，D/A輸出電路，擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路和PC-DSP通訊電路。PC機(jī)把粗處理的數(shù)據(jù)通過(guò)DSP-PC 通訊接口傳遞給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，DSP通過(guò)對(duì)光電編碼器反饋信號(hào)處理電路的結(jié)果分析，計(jì)算出與給定位置的誤差值，再通過(guò)軟件位置調(diào)節(jié)器獲得位置控制量，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)速度控制量，產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換將模擬電壓量送給伺服放大器，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。
　　
　　選用美國(guó)TI公司的16位定點(diǎn)DSPTMS320LF2407A作為本運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，地址譯碼、時(shí)序邏輯、編碼器信號(hào)處理電路用CPLD來(lái)完成，用PCI 接口芯片實(shí)現(xiàn)雙口RAM與PC 機(jī)的通訊，雙口RAM用來(lái)存儲(chǔ)和緩沖DSP與PC 機(jī)間的通訊數(shù)據(jù)，SRAM用來(lái)存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)。
　　（1）.DSP外部中斷接口處理
　　對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，由于受工作行程等各方面的限制，在其超過(guò)控制范圍時(shí)，引入包括限位中斷和編碼器INDEX 信號(hào)中斷。每個(gè)控制軸有正反方向的兩個(gè)限位開關(guān)，產(chǎn)生兩個(gè)限位信號(hào)，4 個(gè)軸共8 個(gè)限位信號(hào)：LIMA+， LIMA -、LIMB +， LIMB -、LIMC +， LIMC-，LIMD+， LIMD -其中“+”表示正限位，“-”表示負(fù)限位。這幾個(gè)信號(hào)通過(guò)CPLD 的相與之后接到DSP 的中斷管腳XINT1，同時(shí)這些信號(hào)通過(guò)光藕電路接入DSP的I/O 口。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)處時(shí)，就會(huì)觸發(fā)DSP的外部中斷信號(hào)XINT1，然后DSP就可以根據(jù)I/O 判定是哪個(gè)限位開關(guān)超過(guò)工作范圍。8 個(gè)限位開關(guān)分別接到DSP 的I/O 口，通過(guò)設(shè)置MCRA（地址：7090H），MCRB（地址：7092H）為零，使這些復(fù)用管腳處于I/O 功能。限位輸入信號(hào)的狀態(tài)可以從寄存器PADATDIR（地址：7098H ）和PBDATDIR（地址：709AH）對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位讀取，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)方向位設(shè)為零，以使這些I/O 管腳工作在“輸入”狀態(tài)下。編碼器的INDEX信號(hào)處理同上面相類似。每個(gè)軸能產(chǎn)生一個(gè)INDEX 信號(hào)，4 個(gè)軸有4個(gè)INDEX 信號(hào)。這4 個(gè)信號(hào)通過(guò)邏輯與門產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，接到XINT2，同時(shí)接到DSP 的I/O 口，供中斷產(chǎn)生時(shí)DSP讀入。
　　（2）。四軸編碼器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
　　四軸編碼器信號(hào)處理電路是對(duì)光電編碼器輸出的兩組相差90o 的方波信號(hào)的處理，從而獲得執(zhí)行元件實(shí)際位置，其輸出是一路16 位的數(shù)字量，反饋給中央處理器，編碼器信號(hào)處理電路包括濾波，倍頻，計(jì)數(shù)幾個(gè)功能模塊，傳統(tǒng)的四軸編碼器信號(hào)處理電路采用分立元件來(lái)設(shè)計(jì)，它可靠性、抗干擾能力差，應(yīng)用CPLD 設(shè)計(jì)了單片并行四軸編碼器信號(hào)處理電路。
　　它具有實(shí)時(shí)性好，硬件體積小，工作效率高，提高系統(tǒng)的集成度，相對(duì)于分立元件，單片并行四軸編碼信號(hào)處理電路集成在一個(gè)片子上，一方面單片芯片內(nèi)的門電路、觸發(fā)器的參數(shù)特性是完全一致的，在相同轉(zhuǎn)速下脈沖信號(hào)的脈沖周期可以保持一致。另一方面，電路做在單個(gè)芯片內(nèi)，抗干擾性能比分離器件構(gòu)成的電路也有很大的提高，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、通用性和可靠性。本文設(shè)計(jì)是一個(gè)四軸伺服系統(tǒng)，因此有八路四組方波信號(hào)，A 相B相相差90o，CLR，CLK，WE 分別為輸出清零，系統(tǒng)時(shí)鐘和輸出使能，SEL*是輸出選擇信號(hào)，選擇X，Y，Z，A中的一組信號(hào)處理的結(jié)果作為輸出信號(hào)，分時(shí)送到數(shù)據(jù)總線。
　　濾波模塊的設(shè)計(jì)
　　編碼盤理論上是穩(wěn)定的方波信號(hào)，但在實(shí)際操作中，經(jīng)常會(huì)存在脈動(dòng)干擾，濾波模塊的功能是將這些脈動(dòng)干擾濾掉，降低系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作的可能性，提高系統(tǒng)的可靠性，下面的VHDL 程序通過(guò)對(duì)A，B 兩相方波信號(hào)同時(shí)延時(shí)四個(gè)CLK 脈沖，，脈沖寬度小于三個(gè)CLK脈沖周期的輸入信號(hào)被濾掉。仿真結(jié)果如圖：