基于DSP与FPGA的四轴运动控制器设计与研究(2)

3 FPGA模块设计

FPGA用于轴资源的扩展，当接收到DSP中的规划位置后，在轴资源中对其进行变换处理，输出到伺服控制器中，伺服控制器将规划位置与编码反馈的计数位置进行比较，获得跟随误差，并通过伺服控制算法得到实时的控制量，将控制量传递给D/A转换器，由D/A转换器转换成控制电压输出。

EP2C8F256C6是alterA公司CycloneⅡ系列芯片，其特点为高性能低功耗，内核供电电压为1.2V，8256个逻辑单元(LEs)，182个用户I/O口(项目中使用了157个I/O口)，165888b的内部RAM，嵌入了18b的乘法器，每个乘法器又可拆成2个9b的乘法器，芯片内部含有2个锁相环(PLL)，8个全局时钟(Global Clocks)。该芯片所具有的逻辑单元数、频率和用户I/O口等都能很好的满足设计需求。FPGA的外围模块扩展如图3所示。

3.1 与DSP接口设计

DSP芯片的事件管理器(EVA，EVB)用于和FPGA连接，当输出脉冲量控制驱动器时，DSP使用两个事件管理器进行PWM波的控制，当输出模拟量时，DSP使用GPIOA/GPIOB向FPGA输出规划位置。

3.2 模拟信号输出电路设计

采用D/A转换器AD669进行模拟信号的输出，AD669具有两级锁存，在设计中，将其四路D/A芯片的第一级锁存处于透明状态，第二级锁存控制信号LDAC连在一起，当四路D/A芯片的数据预装好后，打开第二级锁存，四路D/A芯片即可同时转换，实现了四轴驱动的同时控制。

3.3 脉冲信号输出电路设计

脉冲输出电路由FPGA内部精插补器完成，精插补器根据DSP发送来的粗插补数据产生均匀的脉冲输出，脉冲的输出有两种格式：“脉冲+方向”和“正负脉冲”。由于差分信号对外部电磁等信号有很好的抗干扰性，特别是对共模干扰有很好的抑制作用。所以脉冲经过光耦隔离后，再将信号接入差分线驱动器AM26LS31后输出，差分线驱动器AM26LS31的作用是将输入的单极性方波信号转化为一对极性相反的电机驱动信号。

3.4 编码反馈电路设计

电机编码信号直接传入电机驱动器中，电机驱动器将三对差分编码信号A+，A-，B+，B-，N+，N-作为反馈传给运动控制器。在电机旋转时，所发出的编码信号会出现非常多的毛刺，并且经过驱动器大电源的干扰，如果直接接到FPGA中，可能会引起误判断，所以先将三对编码信号经过差分芯片AM26LS32转化成单路信号A，B，N后再接入FPGA中。芯片AM26LS32功能是将输入的一对极性相反的编码器差分信号转化成单极性的脉冲信号，与AM32LS31正好相反。

3.5 开关量接口和通用I/O电路设计

输出信号包括复位信号和使能信号，由FPGA产生，经光耦隔离后直接输出;输入信号包括驱动报警信号，正负限位信号和原点信号，这些信号经光耦隔离、电平转换后再由FPGA接收，当FPGA检测到这些信号后，确定具体的触发信号，做出相应的反应。另外运动控制器还提供了八路数字量输入通道和八路数字量输出通道，输入、输出通道都经光电隔离，以提高抗干扰性。