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綜合以上分析，數(shù)控雕銑機(jī)運(yùn)動控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖2所示。

1.2  主要元器件介紹

1.2.1       DSP TMS320LF2407A功能簡介

該運(yùn)動控制卡的中央處理器采用TI公司的定點(diǎn)DSP TMS320LF2407A芯片，是一款性價比較高的芯片。TMS320LF2407A是定點(diǎn)DSP C2000平臺系列中的一員，專門為電機(jī)控制與運(yùn)動控制而設(shè)計(jì)。其最大工作頻率為40MHz，片上集成了32KX16的Flash存儲器，2KX16的單口RAM，544X16的雙口RAM，以及大量的片上外設(shè)，具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)資源，足以滿足大計(jì)算量的控制任務(wù)需要。

1.2.2       FPGA EP1C3T144功能簡介

在該運(yùn)動控制卡設(shè)計(jì)中采用ALTERA公司生產(chǎn)的CYCLONE系列FPGA芯片EP1C3T144，其內(nèi)部具有非常豐富的資源，價格便宜功耗低。用戶可利用的I/O最大可達(dá)104個，包括2910個邏輯單元，13塊RAM（128X36bits），一個PLLs。

1.2.3       PCI9030功能簡介

PLX公司目標(biāo)設(shè)備芯片PCI9030是一款價格低廉、低功耗、32位PCI總線接口芯片。 PCI9030芯片的設(shè)計(jì)符合PCI2.2規(guī)范，其局部總線可根據(jù)需要配置成復(fù)用或非復(fù)用模式的8、16、32位的局部總線。PCI總線側(cè)的時鐘頻率達(dá)33MHz，局部總線與PCI總線的時鐘相互獨(dú)立，它支持5個PCI局部地址空間，9個可編程的通用GPIO。

1.3  硬件電路分析

系統(tǒng)硬件電路主要有以下幾部分組成：

I/O接口電路模塊包括4路進(jìn)給軸的原點(diǎn)接近信號，1路對刀信號，這些信號都經(jīng)過光電隔離模塊進(jìn)行隔離后與DSP的I/O接口相連。7路通用輸出信號與DSP的I/O接口相連后經(jīng)過達(dá)林頓管輸出，以控制外部繼電器、泵、電機(jī)等的開關(guān)。

編碼脈沖反饋電路模塊為4路增量式碼盤信號，每路均為A、B兩相的差分信號，經(jīng)高速光耦差分整形模塊處理后變?yōu)?/SPAN>A、B兩相的單端信號，再經(jīng)入FPGA的碼盤接口模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，由DSP讀取以使上位機(jī)獲得機(jī)床實(shí)際運(yùn)動位置。

脈沖輸出電路模塊為四路脈沖輸出電路，FPGA的脈沖發(fā)生模塊分別產(chǎn)生四路進(jìn)給軸的脈沖信號和方向信號后，經(jīng)由26LS31線形驅(qū)動器分別變成四路的差分脈沖信號輸出，和四路差分方向信號輸出。

主軸模擬量輸出電路模塊，主軸調(diào)速電路可以通過DSP上集成的PWM發(fā)生電路+濾波電路+功率運(yùn)放電路來實(shí)現(xiàn)。通過濾波電路保留PWM波形中的直流分量，濾除高頻分量從而得到一個直流電壓輸出量。這個電壓范圍在3.3V之內(nèi)，經(jīng)過運(yùn)放電路使電壓最大能達(dá)到10V。直流電壓的大小和DSP的PWM波形的占空比有關(guān)。

時鐘及復(fù)位電路模塊，時鐘發(fā)生電路為DSP芯片提供時鐘信號，這里采用10MHz有源晶振，將參考時鐘輸入DSP的XTAL1/CLKIN引腳，由DSP內(nèi)部的PLL鎖相環(huán)功能，將工作頻率提高到20MHz、40MHz等。復(fù)位電路主要對DSP進(jìn)行復(fù)位，采用TPS3823芯片。

電平轉(zhuǎn)換模塊，TMS320LF2407A,EP1C3T144,PCI9030這些芯片供電電壓都為3.3V（EP1C3T144的內(nèi)核電壓為1.5V供電），而手搖脈沖發(fā)生器和給DSP提供10MHz工作頻率的四腳有源晶振電壓都為5V，因此必須設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，采用TI公司的74LVC245A芯片。

手搖脈沖電路模塊主要為手搖脈沖發(fā)生器和運(yùn)動控制板的接口電路。

PCI總線接口電路模塊，PCI9030和FPGA與計(jì)算機(jī)的PCI總線相連，可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。其中FPGA的插補(bǔ)命令FIFO、輔助命令FIFO、狀態(tài)緩沖區(qū)作為上下位機(jī)交換數(shù)據(jù)的公共緩沖區(qū)。

2    DSP程序設(shè)計(jì)

TI公司為自己的DSP芯片提供了豐富的軟硬件開發(fā)工具，如仿真器、燒寫器、C語言開發(fā)環(huán)境CCS2.2和C2000等，這些工具為開發(fā)DSP軟件提供了很大的方便。

根據(jù)雕刻機(jī)的工作過程以及工作過程中各種控制任務(wù)的需要，將DSP的控制程序主要完成的功能劃分為若干模塊：插補(bǔ)命令處理模塊、輔助控制命令處理模塊、雕刻機(jī)狀態(tài)反饋模塊、插補(bǔ)算法模塊、粗插補(bǔ)脈沖發(fā)生模塊。

插補(bǔ)命令程序的主要任務(wù)是讀取上位機(jī)發(fā)送來的對G代碼解釋所得到的插補(bǔ)命令，調(diào)用插補(bǔ)計(jì)算模塊進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果放到FIFO緩沖區(qū)中供脈沖發(fā)生模塊使用。

輔助控制命令程序讀取并處理上位機(jī)傳下來的各種控制命令，如回機(jī)械原點(diǎn)、對刀、手搖脈沖發(fā)生器的開關(guān)以及主軸、冷卻泵、潤滑泵的開閉等。

狀態(tài)反饋程序的主要任務(wù)是將雕刻機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)信息存放到FPGA的狀態(tài)緩沖區(qū)中，供上位機(jī)讀取。插補(bǔ)計(jì)算模塊則負(fù)責(zé)具體的插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)。脈沖發(fā)生模塊進(jìn)行粗插補(bǔ)計(jì)算，將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA的脈沖發(fā)生緩沖區(qū)中，輸出四個進(jìn)給軸的脈沖。

DSP軟件中定義了若干不同的雕刻機(jī)工作狀態(tài)：關(guān)閉狀態(tài)、空閑狀態(tài)、手搖脈沖發(fā)生器狀態(tài)、回機(jī)械原點(diǎn)狀態(tài)、對刀狀態(tài)、加工狀態(tài)、緊急停止?fàn)顟B(tài)。關(guān)閉狀態(tài)下，運(yùn)動控制卡將忽略一切命令，只接受控制卡打開命令。打開控制卡后，DSP將打開四個進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動器，并轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。空閑狀態(tài)下，雕刻機(jī)可執(zhí)行一切控制命令。當(dāng)進(jìn)入到手搖脈沖發(fā)生器狀態(tài)時為了避免和G代碼等加工指令沖突，將禁止執(zhí)行插補(bǔ)計(jì)算和加工命令。退出手搖脈沖發(fā)生狀態(tài)并轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)后才可以執(zhí)行加工命令。