基于usb接口的嵌入式運動控制器設計
竇海斌，方建軍
（北方工業(yè)大學機電工程學院，北京100041）
摘要：開發(fā)出一種基于usb2. 0接口的嵌入式運動控制器，探討了該運動控制器的體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)并對usb接口模塊的軟件和硬件設計進行了詳細的介紹。將該嵌入式運動控制器應用于智能象棋機械手的控制過程中，實驗結(jié)果表明通過擴展usb設備可以容易的實現(xiàn)多軸聯(lián)動同時在實時性能要求不高的場合可以滿足運動控制的要求。
關(guān)鍵詞：usb2.0; dsp; fpca；嵌入式運動控制器
中圈分類號：tp273 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)06-0100-03
0引 言
多軸運動控制系統(tǒng)在激光加工、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、辦公自動化設備、雷達和軍用武器隨動系統(tǒng)以及柔性制造系統(tǒng)的應用越來越廣泛。pci或isa接口的多軸運動控制器不能進行長距離傳輸，控制器要插到ipc擴展插槽里面，占用ipc外圍資源，從主機應用程序過來的數(shù)據(jù)多放到緩存fifo中，不能方便地區(qū)分對各個軸的指令和控制參數(shù)，開發(fā)t作也比較復雜。而usb2.0技術(shù)不僅可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，而且具有即插即用，功耗低，連接簡便，價格便宜的特點，同時可以實瑰不同軸指令及參數(shù)的分開，而不需要做復雜的技術(shù)處理。本文以智能象棋機器人嵌入式運動控制器為例，提出一種基于usb2. 0接口的多軸運動控制器。該運動控制器與上位機可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，完全滿足象棋機械手的控制性能要求。
1硬件結(jié)構(gòu)設計
1.1總體結(jié)構(gòu)設計
運動控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。運動控制器通過usb接口從上位pc機獲取位置指令、命令指令以及需要調(diào)整的參數(shù)（比如pid調(diào)節(jié)系數(shù)），運動控制器由dsp對位置指令進行粗插補，在每一個插補周期，dsp根據(jù)反饋的正交編碼脈沖信號獲取軸的實時位置，計算出期望值與實際值之間的偏差，對偏差進行pid調(diào)節(jié)，獲得各軸的進給量。將此進給量依次送人fpga的脈沖發(fā)生模塊完成精插補操作，產(chǎn)生輸出脈沖信號送人伺服驅(qū)動器控制電機運動。同時運動控制器可以根據(jù)pc機的命令指令向pc機上傳各伺服軸的運行狀況等信息并通過pc界面顯示出來。
1.2 usb模塊設計
sx2有5個端點：ep(o、2、4、6、8)。epo用基于usb接口的嵌入式運動控制器設計竇海斌，等來提供介于主機與設備之間的配置、命令或狀態(tài)的通信協(xié)議。在本設計中將ep2設置為out端點，負責傳送位置指令數(shù)據(jù)，配置為512字節(jié)雙緩沖的模式。ep6設置為out端點，負責傳送pc來的命令指令，配置為512字節(jié)雙緩沖的模式。ep4設置為in端點，負責傳送來自運動控制器的狀態(tài)信息，配置為512字節(jié)雙緩沖的模式。雙緩沖的模式可以使usb在讀或者寫一個數(shù)據(jù)包時，另一個數(shù)據(jù)包（同一個端點內(nèi)的另一個緩沖器）可供dsp執(zhí)行讀或者寫操作。通過建立兩級緩存可以極大提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，更好地利用usb2.0的高速性。
sx2與fpga的連接圖如圖2所示。fifoadr[00: 02]用來選擇fifo和命令端口，具體的對應規(guī)則可查閱sx2的技術(shù)資料；slrd為sx2的讀有效信號常與sloe短接，與dsp的讀使能信號xrd相連；slwr為寫有效信號，與dsp的寫使能信號xwe相連；flaga、flagb、flagc報告由fifoadr[2:0]選擇的fifo的狀態(tài)；ready信號有效時通知dsp對sx2的fifo進行讀寫。flagx和ready的狀態(tài)均寫入fpga申的一個寄存器中，dsp將fpca配置在zonel空間內(nèi)(ox4000h)，通過a[3：4]選中此寄存器，再通過數(shù)據(jù)線d[0：7]將寄存器的內(nèi)容送人dsp，dsp通過查詢各端口fifo的狀態(tài)執(zhí)行相應的命令。
因為使用了雙緩沖的模式，充分的發(fā)揮了usb2.0的傳輸速度快的優(yōu)勢。具體的工作過程為：當上位pc機要發(fā)送位置指令給運動控制器時，將位置指令發(fā)送到ep2，dsp通過讀fpga中的sx2的狀態(tài)寄存器得知ep2的fifo中有數(shù)據(jù)，然后將位置數(shù)據(jù)讀人dsp中進行粗插補算法。當上位pc機要讀出當前各軸的運行狀態(tài)時，將命令指令發(fā)送到ep6，dsp將命令指令讀人內(nèi)部寄存器中判斷出命令所要求的具體任 |
