基于CPLD的开放式四轴运动控制器的设计

基于CPLD的开放式四轴运动控制器的设计

该运动控制器的硬件结构分为以下几部分：

　　（1）主机接口电路：运动控制器采用了ISA-AT总线接口，同时设计了PC-104接口。数据总线宽度为16位，接口功能在EPF6016内部实现，其中包括总线地址译码、数据和命令锁存、中断及复位等功能。

　　（2）光电编码器接口电路：运动控制器接收四路光电编码器差分输入信号作为位置反馈，最高输入频率为1MHz，输入的A、B相信号经过差动接收后，在EPF6016内部经过数字滤处理后进行倍频和辨向，产生的方向信号和脉冲信号进入16位加减计数器。系统软件可以计数而获得实际的位置变化。

　　（3）模拟量输出电路：高性能的运动控制器应采用高分辨率的D/A转换器。为了保证模拟量控制信号的精度，并考虑到模拟量信号在线上传输引起的漂移和电压降落，运动控制器和伺服驱动器之间的模拟控制接口信号至少应有12位以上的精度。本文中的运动控制器采用了低成本、小封装体积的双16位串行输入D/A转换器AD1866，构成双极性电压输出方式。在EPF6016内部设计了控制4路并发式并行/串行数据转换以及4路D/A地址选择电路，运动控制器的模拟量电压输出范围为±10V。

　　（4）数字量输入输出电路：运动控制的所有I/O信号均采用光电隔离处理，考虑到I/O并关信号可能产生的信号抖动现象，对每一路I/O信号都进行了相应的数字滤波处理以消除噪声信号。控制器设计了40路I/O信号，其中包括16路专用输入信号、2中特殊开关输入信号（用于坐标测量或定位的接触式测头信号和急停开关信号），另外还设计了16路可编程通用I/O信号（8路输入/8路输出）。实际上，所有的I/O信号除个别信号具有独特的功能外，都是开放的，可以根据I/O信号除个别信号具有独特功能外，都是开放的，可以根据应用的特点设计具体的功能。

　　（5）模拟量输入电路：对于一些控制场合，需要检测或控制外部状态量的变化，运动控制器也设计了相应的单端或差动式模拟量反馈输入通道。系统采用MAXIM公司的8通道、12位转换精度、150kHz采样频率的A/D转换器MAX197。各模拟量通道可以独立编程选择输入范围：±10V、±5V、0～10V、0～5V，A/D转换器的转换基准采用内部基准。

　　（6）可编程定时器：由于在开放式运动控制系统中，插被运算和伺服控制都由PC机完成，这两个控制任务通常不在一个任务循环中处理。一般而言，插补运算的周期要比伺服控制的周期长，因此两个任务需要占用不同的系统资源。由于插补运算通常占用PC机的定时中断资源，而伺服控制也是一个需要精确定时的任务，因此在EPF6016内部设计了可编程16位定时器。该定时器可采用不同的时钟源，定时范围为0～300ms，最小分辨率为70ns，定时器产生的溢出动作可以向PC机申请中断。

　　（7）同步工作电路：在运动控制系统中，各控制轴同步运行是一个很重要的要求，因此在EPF6016内部设计了同步控制电路的和专门的控制字，支持多块运动控制器控制输出同步刷新、反馈计数值同步读取等操作。

　　（8）硬件看门狗电路：在运动控制器中采用了DALLAS公司的看门狗复位及电压监控芯片DS1232，以监测系统的软硬件运行情况。当系统软件运行死机的时候，看门狗电路产生信号复位系统，保证整个系统的可靠性。看门狗定时时间可以编程设置为300ms、600ms、1.2s。

　　从硬件结构的组成特点可以看出，系统的组成核心是其有可重新配置特点的CPLD EPF6016，它实现了几乎所有外围电路管理功能，而其它的电路都属于标准的辅助电路。因此系统在结构上具有典型的开放性，这对实现软件的开放是一个很好的支持。