以DSP和FPGA技術為基礎的伺服控制系統設計詳解在大型光電跟蹤設備中由于跟蹤算法復雜，分系統眾多，要求伺服控制模塊不僅精度高、速度快、可靠性強，而且要有豐富的外圍總線接口。考慮可靠性，選用PCI04PLUS總線及CAN總線作為系統外部總線。PC104PLUS總線以針孔堆疊方式組成。具有結構緊湊、抗震性能好等優點，可以在惡劣的環境下正常工作，應用于工控機領域。其與PCI總線標準兼容，可用于中高速數據傳輸。CAN總線符合可嵌入式結構的先進設計思想。最早應用于汽車電子中，由于其良好的工業抗干擾能力，近幾年廣泛應用在工業控制和軍用裝備方面。考慮精度和速度，主控制器選用TMS320F2812A芯片。其作為專用于電機控制方面的高端DSP產品，具有高速度、高精度等優點，廣泛應用于復雜伺服控制領域。以PC104PLIUS和CAN為總線接口，DSP為核心處理芯片，FPGA設計前端預處理電路及接口。此結構的伺服控制系統具有處理速度快、精度高、可靠性強等特點，并有良好的擴展性和兼容性。1系統構成對于傳統工控機來說外設資源有限，必須擴展各種接口電路，控制程序復雜可移植性差。TMS320F2812A作為伺服控制的專用芯片運算能力強，外部資源有中斷控制、AD轉換、串口通訊等，非常適用于伺服控制。并且其集成了2個伺服運動控制事件管理器，把AB碼數據回饋、計時器、PWM波形產生集成于一個事件管理內，只需DSP的CUP簡單控制就可以實現閉環伺服控制。TMS320F2812A內核時鐘為150MHz，采用哈佛總線結構，處理速度較快。并且其總線資源豐富，除了傳統的串口總線和HIP總線外，還有區域網CAN總線，可以方便的嵌人整個系統，有很強的擴展性。為了適應未來大型光電跟蹤設備伺服控制要求，整個系統應該具有較高的處理速度和可靠的外圍總線接口。在伺服控制模塊上采取：PC104PLUS總線（低速ISA總線和高速PCI總線）+FPGA預處理+DSP核心處理器，這樣的結構可以滿足系統對處理速度和外圍接口的要求。此結構首先基于PC104PLUS總線，符合PC104總線標準，通用性強可以集成于工控機箱中。主控芯片TMS320F2812A保證伺服控制的速度和精度，并通過FPGA作為數據的預處理模塊，同時為其他系統預留通訊接口，具有擴展性強、適應性強的特點。系統組成如圖1所示。2PC104PLUS總線PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線。PC104PLUS是其增強版本，主要增加了可適應高速數據傳送的PCI總線，并兼容原有總線。其主要特點為：小尺寸結構；堆棧式連接；模塊化結構擴展性強；功耗低；適于制作高密度、小體積、便攜式測試設備，在軍用設備上有著廣泛的應用。PC104作為系統總線，實際上是由ISA總線和PCI總線兩部分組成的。對于低速ISA總線來說，可以在FPGA中運用邏輯運算編寫總線時序，對于高速PCI總線，編寫總線時序的難度比較大。一般有兩種解決方法：（1）購買IP核在FPGA內部實現PCI總線邏輯；（2）運用專用PCI總線驅動芯片，如PCI9054等。本方案中采用的是第二種方法，即采用PCI專用驅動芯片PCI9054。PCI9054是PLX公司生產的PCI總線接口芯片，滿足PCI2．0協議，有三種工作模式，很方便實現系統內部總線和外部PCI總線的銜接。設計示意圖如圖2所示。設計PCI9054工作于從模式下，PCI9054相對FPGA來說是主設備。當工控計算機對模塊執行操作命令時由PCI9054產生相應的讀寫時序，FPGA根據該命令時序來控制數據總線的打開、關閉從而實現工控機和主控芯片TMS320F2812A之間的通訊。其狀態機如圖3所示，此狀態機滿足單周期傳輸的時序同時兼顧突發和DMA傳輸時序。3主控芯片TMS320F2812ATMS32OF2812A數字信號處理器是在F24xx系列的基礎上開發的高性能定點芯片，TMS320812A芯片其內部主頻達到150MHz，處理性能達到150MIPS，片上包含高速FLASH和SRAM，采用哈佛結構的流水線結構。外部集成了靈活可靠的運動控制模塊EVA和EVB、12位AD轉換模塊，通訊模塊包括：2路異步串口，1路CAN總線，一路SPI同步串口通。完全可以單芯片實現高精度伺服控制。為達到大型光電跟蹤系統多伺服控制的要求，需要多個分系統協調控制，并聯系統伺服控制不可缺少。設計提供嵌入式CAN總線作為總線的可擴展結構。CAN總線符合可嵌入式結構的先進設計思想。近幾年廣泛應用在工業控制和軍用裝備方面。其傳送速度達到1Mbps，只要設置握手協議可以在總線上自由裁減設備，使系統集成化、模塊化，非常有利于系統擴展。如圖4所示，系統A和系統B為包括編碼器的獨立伺服系統。CAN總線作為系統總線協調各分系統。系統A和系統B的脫靶量既可經PC104PLUS總線由工控計算機提供也可由CAN總線提供。這樣在兼容單個伺服控制系統的基礎上同時擴展并聯接口，使各個分系統可協調工作。在大型光電跟蹤系統中，需要遠程控制、主軸伺服控制、輔助設備伺服控制、圖像處理、其他主動探測設備等，是典型的多任務系統。應用CAN總線可以把整個光電跟蹤系統分為：大型跟蹤架主軸伺服控制單元，其他伺服控制單元，圖像捕獲單元，網絡控制單元。每個單元相對獨立，只通過CAN總線相互連接。使每個系統相對獨立又互相聯系，構成可自由裁減和增設的嵌入式組合系統。4FPGA處理單元在控制上多數情況采用串行運算，脫靶量的數據采集和一些耗時工作預處理、顯示、通訊等工作也必然包含于串行系統之中。這樣系統時間大多分配給數據采集和預處理環節而在核心算法上分配時問很短。在此系統加入FPGA預處理模塊（圖5），通用FPGA內部的雙口RAM和DSP系統連接。這樣可以利用FPGA強大的并行運算功能在程序中合理分配任務，核心算法在DSP的串行運算完成而預處理等處理算法在FPGA的并行系統中進行運算，極大提高整個系統的快速運算能力。并且由于FPGA和高速總線PC104PLUS相連接，在未來需要大規模運算單一系統資源難以滿足時可并聯處理器協同處理。5結論在一些大型光電跟蹤設備中需要各系統協同工作，要求高精度、高可靠性并具有良好的可擴展性。采用TMS320LF2812A+FPGA+總線擴展結構設計伺服控制系統，使系統硬件得到簡化，提高了系統的可靠性。系統采用FPGA預處理和高速處理DSP芯片TMS320LF28