葉純杰，吳洪濤，陳 柏，朱留存，解亞非

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016； 2. 常州精銳自動(dòng)化裝備技術(shù)有限公司,江蘇 常州213032)

基于DSP和MCX312的六軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)*

葉純杰1，吳洪濤1，陳 柏1，朱留存2，解亞非2

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016； 2. 常州精銳自動(dòng)化裝備技術(shù)有限公司,江蘇 常州213032)

設(shè)計(jì)了一種以DSP-TMS320F28335為主控芯片，三片專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX312聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)總共六軸的運(yùn)動(dòng)控制器。用于數(shù)控或工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)。首先給出了運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)，包括TMS320F28335與MCX312等芯片的硬件連接、CPLD譯碼與中斷處理、輸入輸出接口電路以及與上位機(jī)的通信接口設(shè)計(jì)。其次分析了軟件設(shè)計(jì)方法，通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)插補(bǔ)實(shí)例程序并測(cè)試輸出波形，驗(yàn)證其正確性與可靠性。運(yùn)動(dòng)控制器性能穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)放性好，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和前景，成功用于六自由度并聯(lián)機(jī)器人的控制。

DSP；MCX312；運(yùn)動(dòng)控制；伺服電機(jī)

0 引言

運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單的說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，速度或者扭矩等的控制和管理，使其按照既定的軌跡或者其他已知的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、平穩(wěn)和快速的運(yùn)動(dòng)。主要由上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器，電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等幾部分組成。而運(yùn)動(dòng)控制器在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心地位，因此設(shè)計(jì)穩(wěn)定，廉價(jià)，通用的運(yùn)動(dòng)控制器至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛使用的運(yùn)動(dòng)控制器的整體架構(gòu)主要有以下幾類(lèi)，一種是以微控制器為核心，如單片機(jī)[1]，此類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器具有電路簡(jiǎn)單，計(jì)算能力差等特點(diǎn)；一種是DSP+CPLD/FPGA+輸出部分(ADC或DAC等)，如美國(guó)Delta Tau Data System 公司推出的PMAC系列[2]，此類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器計(jì)算能力強(qiáng)，可通過(guò)VHDL實(shí)現(xiàn)不同功能，開(kāi)放性好，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。另外一種是微處理器加專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片的模式[3-5]，如ARM+MCX314構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制器，此類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器充分利用專(zhuān)用芯片的資源，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了軟件編寫(xiě)的難度，同時(shí)能達(dá)到較高的穩(wěn)定性。

綜合對(duì)比，提出一種用TI推出的32位浮點(diǎn)DSP控制和管理三片MCX312，實(shí)現(xiàn)總共六軸的新型運(yùn)動(dòng)控制器方案，成功用于六自由度并聯(lián)式道路模擬器的控制，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。

1 核心控制芯片簡(jiǎn)介

1.1 DSP-TMS320F28335

TMS320F28335具有高達(dá)150MHz的工作時(shí)鐘，專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器使其具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，32位浮點(diǎn)處理單元使得用戶(hù)無(wú)需花費(fèi)大量的時(shí)間處理小數(shù)問(wèn)題。同時(shí)還具有豐富的外設(shè)資源，如18路PWM輸出、12位16通道ADC、2個(gè)事件管理器、SCI、SPI及CAN現(xiàn)場(chǎng)通訊接口等，在工控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX312

MCX312是日本NOVA電子有限公司開(kāi)發(fā)的脈沖輸出式運(yùn)動(dòng)控制集成芯片，可實(shí)現(xiàn)2軸步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的位置、速度等運(yùn)動(dòng)控制，并完成直線、圓弧或者位模式插補(bǔ)的功能，可進(jìn)行梯形對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)以及S型曲線加減速傳動(dòng)[6]，功能框圖如圖1所示。

圖1 MCX312功能框圖

該芯片提供8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，輸出脈沖頻率高達(dá)4MHz，每軸均有編碼器或光柵尺反饋輸入端?？赏ㄟ^(guò)讀寫(xiě)其內(nèi)部寄存器完成所有的功能，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)的控制。此芯片在數(shù)控及工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的六軸運(yùn)動(dòng)控制器的硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。DSP芯片作為整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器的主控芯片，一方面通過(guò)RS232或者以太網(wǎng)通信接口，接收上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，利用其高速高性能的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算能力，進(jìn)行實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算。另一方面，控制和管理三片MCX312，將計(jì)算獲得的插補(bǔ)位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入每個(gè)MCX312芯片相應(yīng)的寄存器中，使其按照特定的指令穩(wěn)定可靠的工作，同時(shí)，可在插補(bǔ)的過(guò)程當(dāng)中讀取MCX312中特定的寄存器值，查詢(xún)插補(bǔ)的狀態(tài)以及實(shí)時(shí)的位置反饋數(shù)據(jù)。

三片MCX312作為DSP的外設(shè)，設(shè)置其中的某個(gè)芯片為主芯片，其他兩個(gè)為副芯片，采用這種主從模式，可以實(shí)現(xiàn)一至六軸的聯(lián)動(dòng)功能。該芯片根據(jù)DSP寫(xiě)入寄存器的插補(bǔ)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)快速的加減速運(yùn)算，發(fā)出特定頻率和數(shù)量的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的精確轉(zhuǎn)速和位置，完成復(fù)雜軌跡的跟蹤。

整個(gè)系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模塊：①時(shí)鐘與電源模塊；②DSP與MCX312組成的主控制模塊；③CPLD片選、復(fù)位和譯碼模塊；④驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、編碼器輸入以及光耦隔離模塊；⑤與上位機(jī)的通信模塊，包括以太網(wǎng)通信和RS232通信。

2.1 時(shí)鐘與電源設(shè)計(jì)

本運(yùn)動(dòng)控制器中總共有兩種頻率的時(shí)鐘，30MHz和16MHz。DSP使用30MHz無(wú)源晶振，三片MCX312使用同一個(gè)16MHz有源晶振，保證了每個(gè)芯片時(shí)鐘輸入的同步。

圖2 硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

電源部分總共需要四種：24V、5V、3.3V、1.8V。外部開(kāi)關(guān)電源提供24V和5V，TPS767D318芯片提供DSP和CPLD所需要的3.3V和1.8V。該芯片滿(mǎn)足DSP上電次序的要求。

2.2 DSP與MCX312接口設(shè)計(jì)

DSP與三片MCX312的接口如圖3所示[7-8]。

圖3 DSP與MCX312接口圖

DSP提供一個(gè)非復(fù)用的外部接口(XINTF)，這個(gè)接口由20條地址線、32條數(shù)據(jù)線和三個(gè)片選信號(hào)組成，可實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的無(wú)縫連接。MCX312作為其外設(shè)，使用16位數(shù)據(jù)總線，與DSP連接的信號(hào)主要有：數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫(xiě)信號(hào)和片選信號(hào)。

由于DSP 的I/O電壓是3.3V，而MCX312的工作電壓為5V，需要增加電平轉(zhuǎn)換電路，選用74ALVC164245芯片?？紤]信號(hào)的方向，數(shù)據(jù)總線是雙向的，需要電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后分別與三片MCX312的數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)連接，而地址線A2-A0、讀寫(xiě)信號(hào)及片選信號(hào)均為單向，由DSP輸出到MCX312，不需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，直接連接。對(duì)于三片MCX312的片選信號(hào)，是由CPLD經(jīng)過(guò)地址分配和譯碼產(chǎn)生。

另外，對(duì)于多個(gè)MCX312芯片實(shí)現(xiàn)多軸插補(bǔ)的功能，需要通過(guò)給特定寄存器賦值設(shè)置一個(gè)主芯片，其余為副芯片，而且還需要特定的電氣連接，如圖4所示。將每個(gè)芯片上MPLS、MCLK、MERR、MINP、MDT3-0八個(gè)信號(hào)連接在一起并用680 電阻上拉。這些信號(hào)主要完成主副芯片之間各軸終點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳送、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的同步以及插補(bǔ)到位等待等功能。

2.3 CPLD譯碼及中斷處理

CPLD在整個(gè)系統(tǒng)中完成比較簡(jiǎn)單的邏輯控制的功能，主要是給DSP各個(gè)外設(shè)分配地址，即譯碼產(chǎn)生不同的片選信號(hào)，包括三片MCX312芯片和RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片；另外還完成一些輔助功能，如產(chǎn)生74ALVC164245的使能信號(hào)OE和方向信號(hào)DIR、處理來(lái)自各個(gè)外設(shè)的中斷信號(hào)等。選用ALTERA公司生產(chǎn)的MAX II系列的芯片EPM240T100C5N，開(kāi)發(fā)環(huán)境為QUARTUS II。

圖4 MCX312之間的電氣連接

首先，對(duì)三片MCX312分配地址。當(dāng)使用16位數(shù)據(jù)總線時(shí)，MCX312中寄存器的地址有8個(gè)，可以使用DSP中區(qū)域0(地址范圍0x4000-0x5000)上的一段物理地址，通過(guò)內(nèi)存映射的方式完成對(duì)MCX312設(shè)備的訪問(wèn)，由A4、A5和A6三根地址線譯碼產(chǎn)生各個(gè)MCX312的片選信號(hào)，如圖5所示。三片MCX312寄存器的地址分別是0x4010～0x4017、0x4020～0x4027、0x4040～0x4047。

其次，每片MCX312都有一個(gè)中斷輸出，總共三個(gè)中斷，且屬于同一性質(zhì)，可以在CPLD中相與后再輸入DSP中任意一個(gè)外部中斷，并進(jìn)行中斷處理。如圖6所示。

圖5 MCX312地址譯碼

圖6 MCX312中斷處理

2.4 外圍電路設(shè)計(jì)

外圍電路的設(shè)計(jì)包括脈沖差分輸出模塊、編碼器或光柵尺反饋輸入模塊和光耦隔離模塊[9]，如圖7所示。

圖7 外圍電路原理圖

MCX312可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸，下面以X軸為例說(shuō)明。驅(qū)動(dòng)輸出有兩個(gè)引腳，即XPLS和XDIR，輸出脈沖有雙脈沖和脈沖+方向兩種類(lèi)型，可通過(guò)設(shè)置內(nèi)部寄存器WR2的D6位進(jìn)行配置。這兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)芯片AM26LS31輸出四路信號(hào)，并連接至步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。編碼器的三相六路信號(hào)XA+/XA-、XB+/XB-、XZ+/XZ-先輸入差分接收芯片AM26LS32，輸出的三路信號(hào)直接連接到MCX312的XECA、XECB和XSTOP2，Z相信號(hào)一般用于回零的檢測(cè)。

伺服到位和報(bào)警、正負(fù)限位信號(hào)和通用輸入信號(hào)等外部輸入信號(hào)，直接通過(guò)光耦隔離送入MCX312相應(yīng)的引腳。光耦選用四通道貼片式芯片SFH6916，該芯片體積很小，便于PCB布局并減小PCB整體尺寸。另外，每個(gè)軸設(shè)有4路通用輸出信號(hào)，通過(guò)光耦隔離后經(jīng)達(dá)林頓管ULN2003輸出，可用于控制伺服ON或者繼電器等。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，而軟件是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的保證。此處重點(diǎn)介紹專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX312的初始化及插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)。所有對(duì)MCX312設(shè)備的操作，都是在CCS3.3開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境下，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)完成的。

首先必須對(duì)DSP進(jìn)行初始化配置，包括CMD文件配置、時(shí)鐘配置、GPIO初始化以及XINTF初始化等，此處不再詳述。DSP正確配置后，可通過(guò)讀寫(xiě)三片MCX312內(nèi)部寄存器完成我們所需要的功能。

操作MCX312就是按照一定的順序讀寫(xiě)其內(nèi)部的寄存器。MCX312寫(xiě)寄存器有：命令寄存器wr0、模式寄存器wr1～wr3、輸出寄存器wr4、插補(bǔ)模式寄存器wr5和數(shù)據(jù)寄存器wr6～wr7。讀寄存器有：主狀態(tài)寄存器rr0、狀態(tài)寄存器rr1～rr3、輸入寄存器rr4～rr5和數(shù)據(jù)寄存器rr6～rr7。同一芯片每個(gè)軸wr0～wr7與 rr0～rr7地址相同，在操作這些寄存器之前，DSP須向wr0寫(xiě)入特定命令指定某個(gè)軸。

下面以DSP訪問(wèn)MCX312完成插補(bǔ)功能為例，流程圖如圖8所示[10-11]。DSP訪問(wèn)每個(gè)芯片的方式是相同的，所以在此僅給出DSP訪問(wèn)主芯片的部分插補(bǔ)程序。

圖8 DSP訪問(wèn)MCX312插補(bǔ)流程圖

第一步：定義寫(xiě)寄存器wr0～wr7偏移地址，rr0～rr7偏移地址(省略程序)與wr0～wr7具有相同偏移地址：

#define wr0 0x0

#define wr1 0x2

#define wr2 0x4

#define wr3 0x6

#define wr4 0x8

#define wr5 0xa

#define wr6 0xc

#define wr7 0xe

第二步：定義MCX312寄存器首地址：

int *BaseAdr_12 = (int *)0x004010；

第三步：軟件復(fù)位：

*(BaseAdr_12+wr0) = 0x8000；

for(count = 0; count < 2; ++count)；

第四步：芯片工作模式設(shè)定：

command(0x3,0xf,BaseAdr_12)；

*(BaseAdr_12+wr1) = 0x0000；

*(BaseAdr_12+wr2) = 0x0040；

*(BaseAdr_12+wr3) = 0x0000；

*(BaseAdr_12+wr4) = 0x0000；

*(BaseAdr_12+wr5) = 0x0400；

第五步：驅(qū)動(dòng)軸1和軸2插補(bǔ)參數(shù)設(shè)定，包括倍率、初始速度、加減速度等參數(shù)：

accofst(0x3,0,BaseAdr_12)；

range(0x3,800000,BaseAdr_12)；

acac(0x3,1010,BaseAdr_12)；

acc(0x3,100,BaseAdr_12)；

dec(0x3,100,BaseAdr_12)；

startv(0x3,0,BaseAdr_12)；

speed(0x3,100,BaseAdr_12)；

第六步：終點(diǎn)位置，即脈沖數(shù)設(shè)定：

pulse(0x1,5000,BaseAdrr_12)；

pulse(0x2,-2000,BaseAdrr_12)；

最后：發(fā)送插補(bǔ)命令，并等待插補(bǔ)的完成：

command(0x0, 0x30,BaseAdrr_12)；

wait(0x3,BaseAdrr_12)；

運(yùn)行程序，并通過(guò)示波器對(duì)該運(yùn)動(dòng)控制器的輸出進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示，結(jié)果表明該運(yùn)動(dòng)控制器能按照設(shè)定的參數(shù)發(fā)出準(zhǔn)確頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，且工作穩(wěn)定可靠。

圖9 運(yùn)動(dòng)控制器測(cè)試圖示

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一套完整的新型運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)方案，充分利用DSP的高速計(jì)算能力和專(zhuān)用芯片MCX312的穩(wěn)定性，并結(jié)合以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)數(shù)據(jù)的傳送。目前該運(yùn)動(dòng)控制器已成功應(yīng)用于六自由度并聯(lián)機(jī)器人，完成預(yù)先設(shè)定姿態(tài)的跟蹤，效果良好。結(jié)果表明該運(yùn)動(dòng)控制性能穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)放性好，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和前景。

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(編輯 李秀敏)

Design of Six-Axis Motion Control Card Based on DSP and MCX312

YE Chun-jie1,WU Hong-tao1,CHEN Bai1,ZHU Liu-cun2,XIE Ya-fei2

(1.College of Mechatronics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016; 2. Changzhou Jingrui Automatic Equipment and Technology Co., Ltd, Changzhou 213032)

A kind of six-axis motion control card is presented in this paper which integrates DSP as main CPU and three ASICs of MCX312. It is commonly used for numerical control and industrial robot. At first, the schematic design is introduced, including electrical connection between TMS320F28335 and MCX312, decoding and interrupt processing in CPLD, I/O interface and communication interface with the host computer. Then software design method is analyzed. A C project is set up to verify its correctness and reliability by testing the output waveform of the card. The result shows that it is stable, short development cycle. It is valuable and has a great developing prospect in the market and succeeds in controlling Six-degree Parallel Robot.

DSP; MCX312; motion control; servo motor

1001-2265(2014)05-0092-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.023

2013-09-10；

2013-10-08

國(guó)家自然基金(51375230)；江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2012052)

葉純杰(1988—)，男，安徽霍山縣人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制，(E-mail)pureycj@126.com。

TH165;TG659

A