基于在系统可编程技术的PC运动控制卡研究

摘要：介绍了在系统可编程（ISP）器件及其优点，分析了PC多轴运动控制卡关键电路的作原理，并由高密度的ISP器件设计实现，运动结果表明所设计的电路完全达到了设计要求。

    关键词：在系统可编程 双口RAM 多轴运动控制卡

当今，数控系统正在朝着高速度、高精度以及开放化、智能化、网络化的方向发展，而高速度、高精度是通过控制执行部件（包括运行控制卡及伺服系统）来保证的。以往的运动控制卡主是基于单片机和分立数字电路制作的，用以实现位置控制、光栅信号处理等功能。由于器件本身执行速度慢、体积大、集成度低，并且结构固定，电路制作完成以后，无法改变其功能和结构。采用在系统可编程技术，应用ispLSI器件开发的PC——DSP多轴运动控制卡，能够完全解决上述问题，适应数控系统发展的需要。

1 ISP器件及其优点

ISP（In-System Programmability）器件，是美国Lattice半导体公司于20世纪90年代初开发出的一种新型高密高速的现场可编程数字电路器件，具有在系统可编程能力和边界扫描测试能力，非常适合在计算机、通信、DSP系统以及遥测系统中使用。
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    在系统可编程技术与传统逻辑电路设计比较，其优点在于：（1）实现了在系统编程的调试，缩短了产品上市时间，降低了生产成本。（2）无需使用专门的器件编程设置，已编程器件无须仓库保管，避免了复杂的制造流程，降低了现场升级成本。（3）使用ISP器件，不仅能够在可重构器件的基础上设计开发自己的系统，还可以在不改变输入、输出管脚的条件下，随时修改原有的数字系统结构，真正实现了硬件电路的“软件化”，将器件编程和调试集中到生产最终电路板的测试阶段，使系统调试数字系统硬件现场升级变得容易而且便宜[1]。

2 在系统可编程技术应用

2.1 系统描述

本所自主开发的多轴运动控制卡采用的是主-从式PC-DSP系统。PC机的主要任务是提供良好的人机交互环境；而DSP（数字信号处理器）则作为系统执行者，以高速度进行算法实现、位置调节和速度调节，然后经过16位的D/A将数据送给伺服控制单元。系统不但可以进行高速度高精度控制，同时也是一个DSP伺服系统的开发平台。

PC运动控制卡采用美国德州公司DSP芯片TMS320F206作为系统的核心，运动控制卡由ISP模块、DSP-PC通信双口RAM模块、光栅信号输入模块、数/模转换电路模块四部分组成（见图1）。其中，ISP模块中包括了可变地址的译码电路、输入输出缓冲/锁存器电路、11位的自动加计数器电路、双端口RAM的控制电路以及PC机和DSP测验握手电路。本系统使用Lattice公司的ispLSI系列CPLD（复杂可编程逻辑器件）来实现这一部分数字电路和逻辑控制电路，如图2所示。

    2.2 双端口RAM访问控制的实现

对于本系统来说，PC机要发送控制指令和进行大量数据计算，数据交换应尽可能占用较少的机时和内存空间；此外，PC机的系统总线与DSP之间还要进行大量可靠的数据传输，它们均过多地占用CPU时间，导致CPU效降率低。使用双端口RAM，交换信息双方CPU将其当作自己存储器的一部分，可保证高速可靠的数据通信。我们选用2K×8bit的IDT7132，完全能够满足本系统中数据交换的要求。对双端口RAM访问，一般有三种方式，即映射内存方式、DMA方式和扩展I/O方式。映射内存方式访问双端口RAM，不需要周转，访问速度快。实模式及保护模式下，能对确定内存空间进行访问，实现对RAM任意存储单元读写；但在32位的Windows98和Windows NT操作系统下，不支持对确定内存空间的访问，要访问双端口RAM必须编写复杂的硬件驱动程序，难度很大。DMA方式访问端口RAM，传送数据的速度灵活、扩展I/O方式访问双端口RAM，可以按实现要求分配I/O端口，实现对双端口RAM所有存储单元读写，这种方式软、硬件设计都很简单。所以，扩展I/O方式访问双端口RAM是最佳方案。

从技术上来说，PCI总线是最先进的，不仅速度快，而且支持即插即用等特性，但控制卡上双端口RAM芯片是8们的IDT7132，而PCI总线是32位。为了简化设计，对PC机一方，采用了16位ISA总线， 通过扩展I/O方式访问双端口RAM。实际占用了两个I/O端口地址，一个作为计数器预置端口地址，一个作为双