張旭東+++胡曉吉

摘 要： 為了滿足某型地空導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)控制端模擬/脈沖信號輸出、數(shù)字輸入與輸出等需求，在充分考慮其抗惡劣環(huán)境特性的同時，基于CPCI總線設(shè)計了一塊高集成性、高可靠性運動控制卡。使用協(xié)議芯片PCI9030實現(xiàn)CPCI通信，使用TI公司的DSP芯片TMS320F2812實現(xiàn)模擬/脈沖信號輸出及控制，使用Altera公司的FPGA芯片EP1C3T144實現(xiàn)I/O擴展。目前該板卡已在軍事項目中得到應(yīng)用，且工作穩(wěn)定，性能良好。

關(guān)鍵詞： 運動控制卡； CPCI； DSP； FPGA

中圖分類號： TN919?34；TP317.4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0065?05

0 引 言

在航空、航天、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域，CPCI計算機由于其高可靠性、高開放性、支持熱插拔等優(yōu)點，受到了廣泛的應(yīng)用，基于高可靠性的考慮，某型地空導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的主控計算機采用的即為CPCI計算機。傳統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)主控計算機對脈沖輸出、I/O擴展等方面的需求都是通過脈沖卡、I/O卡等單獨實現(xiàn)的，集成度較差，不利于武器裝備小型化的需求，因此有必要在CPCI總線的基礎(chǔ)上，為其設(shè)計一款集成脈沖輸出、I/O擴展等多種功能的運動控制卡。

武器控制系統(tǒng)特定的環(huán)境和功能需求要求該板卡具有如下特點：

（1） 采用6U（233.35 mm×160 mm）CPCI插卡設(shè)計，板卡具有高可靠性；

（2） 具有32路I/O端口擴展，所有端口均經(jīng)過光電隔離，滿足系統(tǒng)控制端的電壓功率驅(qū)動輸出、使能發(fā)送以及現(xiàn)場開關(guān)信號實時采集與控制等數(shù)字輸入/輸出需求；

（3） 具有12路PWM信號輸出功能，脈沖頻率最高可達4 Mp/s，滿足占空比50%，頻率精度0.01%，用于電機控制。

（4） 具有4路12位精度模擬信號輸出功能，輸出電壓范圍±10 V。

（5） 能夠捕捉光電編碼器反饋的脈沖信號，為DSP提供電機的相關(guān)信息。

1 運動控制卡總體設(shè)計

本設(shè)計以CPCI總線為基礎(chǔ)，采用DSP和FPGA聯(lián)合控制，一方面可以利用DSP運算速度快、支持復(fù)雜算法的優(yōu)勢，另一方面可以通過FPGA實現(xiàn)地址譯碼和邏輯控制，具有高集成性、高可靠性、高擴展性等特點，總體設(shè)計方案如圖1所示。

該板卡通過CPCI接口實現(xiàn)與上位機通信，采用PLX公司的PCI9030橋芯片實現(xiàn)CPCI總線協(xié)議到局部總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，通過控制/數(shù)據(jù)/地址總線與板卡上核心單元DSP及FPGA相連，DSP、FPGA、RAM之間使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)/地址總線進行數(shù)據(jù)傳輸，上位機只需要對被控對象進行總體操控，模擬/脈沖信號輸出，32路數(shù)字輸入/輸出等均由運動控制卡完成。其中DSP選用TI公司的TMS320F2812，作為板卡的核心模塊，可以實現(xiàn)4路模擬信號輸出、12路PWM信號輸出；FPGA選用Altera公司的EP1C3T144，其邏輯控制電路可以實現(xiàn)對外圍功能電路和驅(qū)動電路的控制以及32路數(shù)字信號輸入和輸出，且輸入和輸出都經(jīng)過嚴(yán)格的光電隔離。

圖1 運動控制卡總體設(shè)計

2 運動控制卡功能模塊設(shè)計

2.1 CPCI總線接口

CPCI總線規(guī)范較為復(fù)雜，目前實現(xiàn)CPCI接口的方案主要有以下兩種：

（1） FPGA+PCI IP Core：性能高且方便集成，但轉(zhuǎn)讓費用昂貴，不適于初期研制；

（2） 專用CPCI接口芯片：提供可靠的CPCI邏輯和強大的功能模塊，無技術(shù)轉(zhuǎn)讓費，技術(shù)成熟，但芯片占用PCB面積較大，增加了布線復(fù)雜程度。

由于本運動控制卡為6U機械板型，空間充裕，專用CPCI接口芯片在保證板卡高可靠性的同時，能夠有效降低CPCI總線接口設(shè)計的難度，縮短研發(fā)時間，減少研發(fā)成本。PCI9030提供了3種物理總線接口：CPCI總線接口、局部總線接口、以及串行E2PROM接口?？偩€的各種功能由控制信號來實現(xiàn)，它們是總線信號中數(shù)量最多、功能最強的信號，也是體現(xiàn)PCI總線特色和實現(xiàn)總線功能的必備信號，主要分為3類：接口控制信號、錯誤報告信號和系統(tǒng)信號。如圖2所示為采用PLX公司的PCI9030協(xié)議芯片實現(xiàn)CPCI總線接口。

圖2 CPCI總線接口

接口控制信號主要由[FRAME]，[IRDY]，[TRDY]，[STOP]，IDSEL，[DEVSEL]和[LOCK]等組成。FRAME#信號是總線周期構(gòu)成信號，由當(dāng)前總線主設(shè)備驅(qū)動，表明一個總線周期的開始和延續(xù)；[IRDY]表明啟動方準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)；[TRDY]是目標(biāo)設(shè)備就緒信號，在寫操作中，[TRDY]有效說明目標(biāo)設(shè)備已準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)，在讀操作中，它說明 AD[31：0]上已有有效數(shù)據(jù)；[STOP]說明當(dāng)前目標(biāo)設(shè)備要求總線主設(shè)備停止當(dāng)前傳輸；IDSEL為初始化設(shè)備選擇信號，在配置空間寫操作中，作為目標(biāo)設(shè)備片選信號；[DEVSEL]為設(shè)備選擇信號，由目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動，如果一個主設(shè)備啟動一個交易，并且在6個時鐘周期內(nèi)沒有檢測到[DEVSEL]有效，它必須假定目標(biāo)設(shè)備沒有反應(yīng)或地址不存在，導(dǎo)致交易失敗。[LOCK]為設(shè)備提供接口控制信號。

錯誤報告信號是用來使系統(tǒng)自我監(jiān)測用的信號，包括[PERR]和[SERR]兩個信號。系統(tǒng)信號包括CLK和[RST]兩個信號，為PCI接口控制器提供系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)復(fù)位信號。[INTA]是設(shè)備的中斷信號，電平觸發(fā)，低電平有效，與時鐘異步。除[RST]和中斷信號外，其他信號都在CLK的上升沿采樣。

在總線傳輸操作周期，一個CPCI總線周期由一個地址段和緊隨其后的一個或多個數(shù)據(jù)段組成，其中AD[31：0]是地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線，為CPCI接口芯片提供了地址信號和數(shù)據(jù)信號。C/[BE[3：0]]為PCI接口提供總線命令（地址周期）和字節(jié)使能（數(shù)據(jù)周期）信號，而PAR信號為PCI接口控制器提供AD[31：0]和C/[BE[3：0]]信號的偶校驗。同時，PCI9030芯片必須連接一個E2PROM來設(shè)置內(nèi)部寄存器。

2.2 DSP最小系統(tǒng)

本板卡以TI公司的低功耗16位定點DSP芯片TMS320F2812為控制核心，該款DSP采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，需要1.8 V的內(nèi)核電壓和3.3 V的I/O電壓供電，片內(nèi)資源豐富，運算速度快，具有快速的中斷響應(yīng)和處理能力，主要針對數(shù)字控制、運動控制等領(lǐng)域，非常適合用于運動控制卡的開發(fā)，能夠有效簡化板卡設(shè)計，提高板卡性能和可靠性，降低設(shè)計成本。DSP最小系統(tǒng)主要由TMS320F2812芯片、晶振、電源電路以及電容、電阻、電感等少量器件構(gòu)成。晶振選用北京晶宇星科技公司的33 MHz有源晶振，因為DSP對電源非常敏感，故選用獨立的電源芯片供電，TI公司的PS767D301可以從CPCI接口獲得5 V電壓，轉(zhuǎn)換后提供精確的1.8 V和3.3 V電壓，保證DSP芯片穩(wěn)定工作。

2.3 DSP外擴存儲器

DSP進行運動控制時需要大容量的數(shù)據(jù)存儲，外擴存儲器選用ISSI公司容量為512K×16 b的IS61LV51216芯片。該芯片采用3.3 V電平邏輯，可與DSP、FPGA匹配，并且支持三態(tài)輸出功能，避免了總線沖突的風(fēng)險，外擴存儲器電路如圖3所示。

圖3 外擴存儲器電路

2.4 模擬量輸出

TMS320F2812本身不帶有D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換模擬量輸出主要有以下兩種方式：

（1） 內(nèi)部數(shù)字量用PWM脈沖輸出，外部用高階濾波器濾波后得到直流輸出；

（2） 外接DAC轉(zhuǎn)換芯片，用DSP的數(shù)據(jù)口進行控制。

為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)換速度，本板卡選擇外接12位精度的DAC7724芯片來實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能?？紤]到DSP產(chǎn)生信號的驅(qū)動能力，首先需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片，對要用到的端口進行電平轉(zhuǎn)換，將DSP端口輸出的3.3 V電平轉(zhuǎn)變成5 V，電平轉(zhuǎn)換芯片選擇SN74ALVC164245，此外還需要AD587為D/A轉(zhuǎn)換提供參考電壓。如圖4所示，D/A轉(zhuǎn)換電路最終可以實現(xiàn)4路±10 V模擬信號的輸出。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出電路

2.5 脈沖量輸出

DSP有EVA/EVB兩個事件管理器模塊，每個事件管理器具有2個16位通用定時器，3個比較單元，3個捕獲單元和1個正交編碼脈沖電路。每個比較單元可以產(chǎn)生一對（兩路）互補的PWM波。因此對2個事件管理器進行配置可以實現(xiàn)共12路PWM輸出。與模擬量輸出類似，TMS320F2812輸出的PWM波形的最高電壓為3.3 V，而在工業(yè)控制中，驅(qū)動電壓往往是5 V，需要通過SN74ALVC164245芯片進行電平轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)過光電隔離后由CPCI接口輸入電機驅(qū)動器，實現(xiàn)電機控制。PWM輸出電路如圖5所示。

圖5 PWM輸出電路

對事件管理器進行配置同樣可以實現(xiàn)反饋脈沖的捕捉。通常會在電機轉(zhuǎn)子上安裝光電編碼器，光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤和電機同軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)LED光被遮擋住時，傳感器輸出邏輯0，也就是輸出低電平；當(dāng)LED光透過光柵的孔被傳感器接收時，傳感器輸出邏輯1，也就是輸出高電平。這樣檢測部分就能夠輸出連續(xù)的脈沖信號，脈沖信號通過CPCI連接器輸入到DSP芯片內(nèi)，由捕捉單元獲取后，通過計數(shù)器計算每秒輸出的脈沖個數(shù)就能最終知道電機的轉(zhuǎn)速。此外，為了應(yīng)對復(fù)雜的軍用設(shè)備的電磁環(huán)境，脈沖接收同樣需要經(jīng)過光電隔離，保證其抗干擾能力。

2.6 FPGA配置

FPGA芯片作為輸入/輸出模塊的核心邏輯控制單元，用于實現(xiàn)局部總線在FPGA上的地址譯碼、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和時序控制等內(nèi)容，最終完成與上位機的正常交互、總線的啟動、停止、響應(yīng)以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。FPGA狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。

圖6 FPGA狀態(tài)轉(zhuǎn)換

當(dāng)一個總線周期開始的時候，PCI9030芯片在地址總線LA[9：2]上給地址，并將[ADS]信號置為有效，開始一個總線周期。FPGA芯片檢測到[ADS]有效后，將地址總線LA[9：2]上的地址讀入。如果該地址位于FPGA芯片的地址空間范圍內(nèi)，則檢測LW/[R]信號。如果該地址位于FPGA芯片地址空間范圍之外，則狀態(tài)機在下個時鐘沿來之后，繼續(xù)保持IDLE狀態(tài)。如果LW/[R]信號為高，則位于PCI9030芯片的寫周期，F(xiàn)PGA狀態(tài)機將在下個時鐘沿到來后進入WAIT狀態(tài)。隨后持續(xù)檢測[WR]信號，在變?yōu)橛行Ш蟮南乱粋€時鐘沿，狀態(tài)機進入WRITE狀態(tài)，讀入數(shù)據(jù)總線LD[15：0]上的數(shù)據(jù)，并將[READY]信號置為低，通知PCI9030芯片數(shù)據(jù)已讀入。當(dāng)一個時鐘周期結(jié)束后，將[READY]置為高，并返回IDLE狀態(tài)。PCI9030芯片在檢測到[READY]信號被置為低的下一個時鐘沿到來之后，將數(shù)據(jù)總線LD[15：0]上的數(shù)據(jù)撤去，并將[WR]置為無效，結(jié)束一個總線周期。若在[ADS]信號為低時檢測到LW/[R]也為低，說明為PCI9030芯片讀周期。FPGA芯片將在下一個時鐘沿到來之后進入READ狀態(tài)，將數(shù)據(jù)置入數(shù)據(jù)總線LD[15：0]中，并將[READY]信號置為低，通知PCI9030芯片數(shù)據(jù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)總線中。經(jīng)過一個時鐘周期后，再將[READY]信號置為高，返回IDLE狀態(tài)。PCI9030芯片在檢測到[READY]信號被置為低后的下一個時鐘沿將[RD]信號置為無效，結(jié)束總線周期。FPGA程序配置流程圖如圖7所示。

圖7 FPGA程序配置

2.7 數(shù)字輸入輸出

板卡通過FPGA實現(xiàn)32路I/O端口擴展，滿足數(shù)字輸入輸出需求，32路輸入的數(shù)字量均選用Agilent公司的HCPL?2631光耦進行了光電隔離，采用光電隔離可以有效地抑制尖脈沖和各種噪音干擾，從而使過程通道上的信噪比大為提高。該款光耦開關(guān)門檻電流為5～15 mA，光耦正向壓降為1.4～1.75 V，計算可得，當(dāng)3.3 V電壓供電時，光耦的最大工作電流為：[（3.3-1.4）200]=9.5 mA；最小工作電流為：[（3.3-1.75）200]=7.75 mA。7.75～9.5 mA滿足光耦開關(guān)門檻電流，當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備接通后，光耦輸出端電平為邏輯“0”，當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備關(guān)斷后，光耦輸出端電平邏輯“1”。如圖8所示為輸入電路，32路輸入信號經(jīng)CPCI連接器連入板卡，使用16個HCPL?2631對其進行處理，每個光耦可以對兩路輸入信號進行光電隔離，處理后的信號直接與FPGA的配置好的IO管腳相連，用于后續(xù)操作。

圖8 第1路及第2路輸入電路

板卡32路輸出的數(shù)字量均選用北京東捷恒信公司的AGN200SER系列電磁繼電器作為電隔離器件?？紤]FPGA本身的負(fù)載能力有限，需要在電磁繼電器前加ULN2803驅(qū)動芯片（內(nèi)含達林頓電路）來保證其正常工作。在FPGA進行邏輯控制時，將相應(yīng)的I/O端口置為三態(tài)門，當(dāng)邏輯為0時，驅(qū)動芯片關(guān)閉；當(dāng)邏輯為1時，驅(qū)動芯片導(dǎo)通。由于驅(qū)動芯片是敏感元器件，F(xiàn)PGA的80 ms初始上電配置時間會導(dǎo)致相應(yīng)的I/O端口弱上拉，從而導(dǎo)通驅(qū)動芯片，故需要在其前端添加下拉電阻，保證整個輸出過程穩(wěn)定。同時，由于繼電器線圈去激勵的瞬間會產(chǎn)生幾倍于激勵電壓的反峰電壓，會對電路產(chǎn)生危害，本設(shè)計通過并聯(lián)TVS二極管（瞬間電壓抑制器）對其加以抑制。如圖9所示為輸出電路，一個驅(qū)動芯片可以驅(qū)動8路FPGA輸出信號，使用四個驅(qū)動芯片驅(qū)動32路輸出，處理后的信號經(jīng)過32個電磁繼電器后連入CPCI連接器。

圖9 第1～8路輸出驅(qū)動及第1路輸出電路

3 驅(qū)動程序設(shè)計

編寫DLL動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接庫可以對廠商提供的PLX公司芯片的API進行進一步封裝，以達到與上位機軟件接口函數(shù)相適應(yīng)的目的，從而實現(xiàn)上位機對運動控制卡的操作。由于PCI9030與主機內(nèi)存之間存在映射關(guān)系，只需對映射內(nèi)存區(qū)域進行讀寫就可以實現(xiàn)上位機對運動控制卡局部總線的讀寫操作。運動控制卡主要驅(qū)動函數(shù)包括：打開設(shè)備、獲取板卡基地址、驅(qū)動初始化函數(shù)、控制輸出函數(shù)、控制輸入函數(shù)、調(diào)用中斷函數(shù)、釋放資源、關(guān)閉設(shè)備等。

4 可靠性設(shè)計與驗證

為了保證板卡能夠在惡劣的軍事電磁環(huán)境下使用，并且不影響其他電子設(shè)備的正常工作，EMC和ESD設(shè)計在整個PCB設(shè)計中顯得尤為重要。本板卡在元器件選型時主要選取軍品級元器件，從根源上消除了不穩(wěn)定因素，保證板卡可靠性。設(shè)計時主要從以下幾個方面著手：

（1） 電源線和地線設(shè)計：根據(jù)電流大小盡量加寬電源線寬度，同時接地線也盡量加粗，減少線路阻抗和來自電源的干擾，并將接地電路做成閉環(huán)環(huán)路；

（2） 電路去耦：在直流電源回路中，負(fù)載的變化會引起電源噪聲。數(shù)字信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，會在電源線上產(chǎn)生很大的尖峰電流，在電源輸入端接入100 μF和0.1 μF去耦電容能有效抑制電源噪聲；

（3） 數(shù)字地和模擬地分離：模擬地和數(shù)字地公用會產(chǎn)生嚴(yán)重的公共阻抗耦合，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，將數(shù)字地和模擬地分開，各有各的電源和地線回路，能有效抑制干擾；

（4） 光電隔離：板卡的輸入輸出部分均采用隔離器件，將其與外部電路隔開，能有效防止外部干擾進入板卡，保證板卡穩(wěn)定性。

依據(jù)《GJB151A?1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》等國家軍用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)對運動控制卡進行電磁兼容、高低溫存儲/工作、10個溫度循環(huán)（-35～75 ℃）、隨機振動，沖擊（15 g，11 ms）等一系列實驗后，板卡依舊能夠正常工作，且無信號抖動和偽信號產(chǎn)生，能夠滿足板卡對軍事惡劣環(huán)境下高可靠性的要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的運動控制卡以DSP和FPGA作為核心單元，將以往需要多塊板卡實現(xiàn)的4路12位精度模擬量輸出、12路PWM脈沖量輸出、32路數(shù)字輸入輸出等功能集合于一塊板卡。同時考慮到板卡在軍事惡劣環(huán)境下使用的特點，設(shè)計時采用CPCI總線結(jié)構(gòu)，在元器件選型、電路設(shè)計、PCB設(shè)計等方面都較為規(guī)范。相比傳統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)中的功能板卡，具有高性能、高集成性、高可靠性等特點，能夠滿足用戶需求，具有較高的應(yīng)用價值。

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