基于現(xiàn)場可編程門陣列的網(wǎng)絡化步進電機控制器設(shè)計*

員天佑， 謝 閱

(中國工程物理研究院計算機應用研究所，四川綿陽 621900)

0 引言

隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，步進電機所具有的控制方便、定位準確的特點得到充分發(fā)揮，成為運動控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，而對步進電機控制器、驅(qū)動器及控制技術(shù)的研究也成了熱門課題。目前，步進電機控制系統(tǒng)以微控制器、驅(qū)動器和微控制器、FPGA、驅(qū)動器兩種結(jié)構(gòu)最為典型，其工作過程完全受軟件控制，在控制精度、工作效率和系統(tǒng)抗干擾性方面有所限制，且普遍不具備網(wǎng)絡通信能力，無法實現(xiàn)分布式控制。本文針對上述情況設(shè)計了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gata Array，F(xiàn)PGA)的網(wǎng)絡化步進電機控制器，采用通信芯片、FPGA、驅(qū)動芯片的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了FPGA獨立控制，網(wǎng)絡化分布式管理和全系統(tǒng)板級集成。該系統(tǒng)充分利用了FPGA硬件資源豐富，并行處理能力強、速度快、精度高、穩(wěn)定性好等特點，擺脫了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對微控制器的依賴，在控制精度、運行速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作方式等方面有所突破。本文針對性的給出了該控制器的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理、實現(xiàn)方法和驗證結(jié)果，供同行參考。

1 硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡化步進電機控制器由以太網(wǎng)通信芯片W5100、步進電機驅(qū)動芯片A3796和FPGA核心部件EP1C12三大部分構(gòu)成，如圖1所示。W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡接口器件，該芯片具備10/100 Mbps的全雙工通信能力，自帶16 K的內(nèi)部RAM(用于數(shù)據(jù)傳輸緩沖)和硬件化的PCT/IP協(xié)議站，提供了3種外部訪問接口，使用時只需進行簡單的端口(socket)操作。A3796是一款集成化的兩相四拍制小功率步進電機驅(qū)動芯片，具備邏輯控制、電機驅(qū)動、自診斷和故障保護功能。該芯片接口簡單，控制方便，有兩個獨立的H橋，通電順序由輸入邏輯控制。FPGA是智能化步進電機控制器的核心部件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式下的微控制器，執(zhí)行通信控制、電機控制、信息處理、系統(tǒng)診斷等任務。系統(tǒng)選用Altera公司的新一代SRAM工藝的FPGA芯片EP1C12，該芯片具有12 060個LE，2個PLL和52塊4 K的內(nèi)部RAM，在滿足系統(tǒng)要求的同時，保有充分的硬件資源可供擴展。在接口設(shè)計方面:FPGA和W5100之間采用ISA并行總線連接，15位地址，8位數(shù)據(jù)，外加 CS/RD/WR控制信號和INT中斷信號，數(shù)據(jù)操作時序和普通RAM基本相同;FPGA和A3796之間采用I/O邏輯信號連接，4個控制信號(PHASE1/2，ENABLE1/2)和2個狀態(tài)反饋信號(FAUL1/2)，控制時序如表1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

表1 A3796控制邏輯真值表

2 設(shè)計實現(xiàn)

整個系統(tǒng)以Altera公司的EP1C12芯片為硬件載體，利用QuartusⅡ EDA平臺和VHDL硬件描述語言進行設(shè)計開發(fā)和仿真驗證。FPGA作為該網(wǎng)絡化步進電機控制器的核心部件，是系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容，為了便于實現(xiàn)該例采用自頂向下的設(shè)計方法，將FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能分為通信處理器和電機控制器兩大部件。其中，通信處理器主要負責W5100芯片的初始化和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送工作，電機控制器主要負責參數(shù)解析、邏輯控制、速度控制、準確定位和系統(tǒng)診斷工作，它們之間通過內(nèi)部 FIFO進行數(shù)據(jù)交換，通過“new_task”和“finish”信號進行同步。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文重點介紹兩大模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、實現(xiàn)方法和信息交互機制。

2．1 通信處理器

通信處理器由時序電路構(gòu)成，通過有限狀態(tài)機實現(xiàn)。狀態(tài)機采用單進程嵌套式結(jié)構(gòu)，包含17個基本狀態(tài)，每個基本狀態(tài)分為若干個子狀態(tài)，基本狀態(tài)用于流程控制，子狀態(tài)用于端口操作。在基本狀態(tài)中S0為空閑狀態(tài)，S1～S5為初始化狀態(tài)，S6～S13為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，S14～S17為數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，空閑狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由外部信號(reset，int，finish)觸發(fā)，工作流程內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)換靠系統(tǒng)時鐘和決斷語句控制，狀態(tài)圖如圖3所示。

圖2 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 通信處理器狀態(tài)圖

狀態(tài)說明如下。S0為空閑狀態(tài)，系統(tǒng)在沒有接收到任何外部信號的情況下處于該狀態(tài)，另外在執(zhí)行完某個操作流程后也要返回該狀態(tài)。

(1)初始化過程為

S1:設(shè)置W5100的基本信息，包括工作模式(MR)，中斷屏蔽(IMR)，重發(fā)時間(RTR)，重發(fā)次數(shù)(RCR);

S2:設(shè)置網(wǎng)絡信息，包括網(wǎng)關(guān)地址(GAR)，本機物理地址(SHAR)，子網(wǎng)掩碼(SUBR)，本機IP(SIPR);

S3:設(shè)置端口0信息，包括發(fā)送存儲器讀指針(S0_TX)，接收存儲器寫指針(S0_RX);

S4:初始化端口0，包括端口模式(S0_MR)，端口號(S0_PORT);

S5:通過端口命令寄存器(S0_CR)打開端口，使其處于TCP模式的監(jiān)聽狀態(tài)，隨后返回S0狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)接收過程為

S6:讀取中斷信息(S0_IR);

S7:對中斷信息進行判斷，如果接收到有效數(shù)據(jù)則開始數(shù)據(jù)讀取操作，否則直接進入S13清除中斷標志;

S8:讀接收緩沖區(qū)指針(S0_RX-RD)和字節(jié)長度信息(S0_RX_RSR);

S9:計算物理地址(READ_START_ADDRESS=x＂6 000＂+(x＂07FF＂and S0_RX-RD)，RMSR=0X55);

S10:根據(jù)字節(jié)數(shù)和物理地址依次讀取有效數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入1#FIFO;

S11:重設(shè)接收數(shù)據(jù)地址指針寄存器S0_RX_RD(S0_RX_RD=S0_RX_RD+S0_RX_RSR);

S12:向命令寄存器(S0_CR)寫入接收完成命令;

S13:清除中斷標志，向電機控制器發(fā)送“NEW_TASK”信號隨后返回S0。

(3)數(shù)據(jù)發(fā)送過程為

S14:讀寫指針寄存器(S0_TX_WR);

S15:計算物理地址(WRITE_START_ADDRESS=x＂4 000＂+(x＂07FF＂and S0_TX_WR)，TMSR=0X55);

S16:將2#FIFO中的數(shù)據(jù)依次讀出，并寫入發(fā)送緩沖區(qū);

S17:向命令寄存器(S0_CR)寫入接收完成命令，隨后返回S0。

2．2 電機控制器

電機控制器由控制單元、任意分頻器、邏輯發(fā)生器和位置檢測器四部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 電機控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 工作機制

控制單元在接收到來自通信處理器的“new_task”信號后，先從1#FIFO中讀取電機控制所需的各種參數(shù)，再根據(jù)起始速度設(shè)定分頻系數(shù)(fre_quotiety)初值，然后通過使能信號(en1、en2、en3)起動任意分頻器、邏輯發(fā)生器和位置檢測器等功能模塊驅(qū)動電機運行，在電機運轉(zhuǎn)過程中根據(jù)速度曲線和電機當前位置不斷調(diào)整分頻器的分頻系數(shù)，以實現(xiàn)對步進電機的加速、勻速、減速控制。控制過程結(jié)束后控制單元先關(guān)閉外圍功能模塊，再將本次任務的執(zhí)行結(jié)果和電機的當前狀態(tài)寫入2#FIFO，然后向通信處理器發(fā)出“finish”應答信號。步進電機的當前位置在閉環(huán)模式下由位置檢測器提供，在開環(huán)模式下由內(nèi)部計數(shù)器提供。

2.2.2 設(shè)計實現(xiàn)

電機控制器的4個基本組件分別由4個并行進程實現(xiàn)，其中控制單元和邏輯發(fā)生器采用有限狀態(tài)機，分頻器和位置檢測器采用普通的邏輯電路，進程之間通過內(nèi)部信號進行同步和數(shù)據(jù)交換。狀態(tài)機的實現(xiàn)方法和體系結(jié)構(gòu)及通信處理器類似，此處不作詳細描述。

3 驗證測試

測試環(huán)節(jié)以FPGA實驗板為硬件平臺，以TCP-UDP調(diào)試助手和SignalTaPⅡ邏輯分析器為測試工具，重點測試了通信處理器的端口服務操作流程及數(shù)據(jù)傳輸過程，以及電機控制器的遠端控制參數(shù)響應過程及輸出信號的相關(guān)特性(穩(wěn)定性、準確性、重復性)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的各項功能滿足設(shè)計要求，通信功能正常，控制邏輯正確，輸出信號穩(wěn)定、可靠，通過電機控制組合邏輯實現(xiàn)了開環(huán)狀態(tài)下的速度控制和準確定位，控制過程平穩(wěn)、流暢，系統(tǒng)具有很強的可實現(xiàn)性。系統(tǒng)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 測試結(jié)果監(jiān)控圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于FPGA的網(wǎng)絡化步進電機控制器，通過FPGA的運用，擺脫了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對控制器的依賴，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的精確性;通過以太網(wǎng)通信芯片的運用，改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于串行總線的通信方式，增強了系統(tǒng)的開放性，使其具備了網(wǎng)絡化分布式控制能力;通過編碼器的運用使系統(tǒng)具備了本地閉環(huán)控制功能，提高了控制的精確性。驗證結(jié)果表明，該控制器技術(shù)路線可行，功能設(shè)置合理，具有較強的應用價值。

該控制器也存在一定局限性，由于采用了集成化的步進電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動能力受到限制，在某些特定的應用場合需要對系統(tǒng)進行局部的改進和優(yōu)化，用大功率驅(qū)動電路代替集成化的步進電機驅(qū)動芯片，增強系統(tǒng)的適用性。

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