摘要：介紹了在系統(tǒng)可編程（ISP）器件及其優(yōu)點(diǎn)，分析了PC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡關(guān)鍵電路的作原理，并由高密度的ISP器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：在系統(tǒng)可編程 雙口RAM 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡
當(dāng)今，數(shù)控系統(tǒng)正在朝著高速度、高精度以及開(kāi)放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，而高速度、高精度是通過(guò)控制執(zhí)行部件（包括運(yùn)行控制卡及伺服系統(tǒng)）來(lái)保證的。以往的運(yùn)動(dòng)控制卡主是基于單片機(jī)和分立數(shù)字電路制作的，用以實(shí)現(xiàn)位置控制、光柵信號(hào)處理等功能。由于器件本身執(zhí)行速度慢、體積大、集成度低，并且結(jié)構(gòu)固定，電路制作完成以后，無(wú)法改變其功能和結(jié)構(gòu)。采用在系統(tǒng)可編程技術(shù)，應(yīng)用ispLSI器件開(kāi)發(fā)的PC——DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，能夠完全解決上述問(wèn)題，適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的需要。
1 ISP器件及其優(yōu)點(diǎn)
ISP（In-System Programmability）器件，是美國(guó)Lattice半導(dǎo)體公司于20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)出的一種新型高密高速的現(xiàn)場(chǎng)可編程數(shù)字電路器件，具有在系統(tǒng)可編程能力和邊界掃描測(cè)試能力，非常適合在計(jì)算機(jī)、通信、DSP系統(tǒng)以及遙測(cè)系統(tǒng)中使用。

在系統(tǒng)可編程技術(shù)與傳統(tǒng)邏輯電路設(shè)計(jì)比較，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)編程的調(diào)試，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。（2）無(wú)需使用專(zhuān)門(mén)的器件編程設(shè)置，已編程器件無(wú)須倉(cāng)庫(kù)保管，避免了復(fù)雜的制造流程，降低了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)成本。（3）使用ISP器件，不僅能夠在可重構(gòu)器件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自己的系統(tǒng)，還可以在不改變輸入、輸出管腳的條件下，隨時(shí)修改原有的數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)了硬件電路的“軟件化”，將器件編程和調(diào)試集中到生產(chǎn)最終電路板的測(cè)試階段，使系統(tǒng)調(diào)試數(shù)字系統(tǒng)硬件現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)變得容易而且便宜[1]。
2 在系統(tǒng)可編程技術(shù)應(yīng)用
2.1 系統(tǒng)描述
本所自主開(kāi)發(fā)的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡采用的是主-從式PC-DSP系統(tǒng)。PC機(jī)的主要任務(wù)是提供良好的人機(jī)交互環(huán)境；而DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）則作為系統(tǒng)執(zhí)行者，以高速度進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)、位置調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過(guò)16位的D/A將數(shù)據(jù)送給伺服控制單元。系統(tǒng)不但可以進(jìn)行高速度高精度控制，同時(shí)也是一個(gè)DSP伺服系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
PC運(yùn)動(dòng)控制卡采用美國(guó)德州公司DSP芯片TMS320F206作為系統(tǒng)的核心，運(yùn)動(dòng)控制卡由ISP模塊、DSP-PC通信雙口RAM模塊、光柵信號(hào)輸入模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路模塊四部分組成（見(jiàn)圖1）。其中，ISP模塊中包括了可變地址的譯碼電路、輸入輸出緩沖/鎖存器電路、11位的自動(dòng)加計(jì)數(shù)器電路、雙端口RAM的控制電路以及PC機(jī)和DSP測(cè)驗(yàn)握手電路。本系統(tǒng)使用Lattice公司的ispLSI系列CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一部分?jǐn)?shù)字電路和邏輯控制電路，如圖2所示。

2.2 雙端口RAM訪問(wèn)控制的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PC機(jī)要發(fā)送控制指令和進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)據(jù)交換應(yīng)盡可能占用較少的機(jī)時(shí)和內(nèi)存空間；此外，PC機(jī)的系統(tǒng)總線與DSP之間還要進(jìn)行大量可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它們均過(guò)多地占用CPU時(shí)間，導(dǎo)致CPU效降率低。使用雙端口RAM，交換信息雙方CPU將其當(dāng)作自己存儲(chǔ)器的一部分，可保證高速可靠的數(shù)據(jù)通信。我們選用2K×8bit的IDT7132，完全能夠滿足本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換的要求。對(duì)雙端口RAM訪問(wèn)，一般有三種方式，即映射內(nèi)存方式、DMA方式和擴(kuò)展I/O方式。映射內(nèi)存方式訪問(wèn)雙端口RAM，不需要周轉(zhuǎn)，訪問(wèn)速度快。實(shí)模式及保護(hù)模式下，能對(duì)確定內(nèi)存空間進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)RAM任意存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)；但在32位的Windows98和Windows NT操作系統(tǒng)下，不支持對(duì)確定內(nèi)存空間的訪問(wèn)，要訪問(wèn)雙端口RAM必須編寫(xiě)復(fù)雜的硬件驅(qū)動(dòng)程序，難度很大。DMA方式訪問(wèn)端口RAM，傳送數(shù)據(jù)的速度靈活、擴(kuò)展I/O方式訪問(wèn)雙端口RAM，可以按實(shí)現(xiàn)要求分配I/O端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙端口RAM所有存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)，這種方式軟、硬件設(shè)計(jì)都很簡(jiǎn)單。所以，擴(kuò)展I/O方式訪問(wèn)雙端口RAM是最佳方案。
從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，PCI總線是最先進(jìn)的，不僅速度快，而且支持即插即用等特性，但控制卡上雙端口RAM芯片是8們的IDT7132，而PCI總線是32位。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，對(duì)PC機(jī)一方，采用了16位ISA總線， 通過(guò)擴(kuò)展I/O方式訪問(wèn)雙端口RAM。實(shí)際占用了兩個(gè)I/O端口地址，一個(gè)作為計(jì)數(shù)器預(yù)置端口地址，一個(gè)作為雙端口RAM讀/寫(xiě)端口地址。PC機(jī)在讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器之前，首先要通過(guò)預(yù)置數(shù)端口，用輸出指令將要訪問(wèn)RAM存儲(chǔ)器的起始地址置入11位可預(yù)置加計(jì)數(shù)器中；以后每訪問(wèn)一次讀/寫(xiě)端口，執(zhí)行一次讀/寫(xiě)操作，計(jì)數(shù)器中的地址就自動(dòng)加1，計(jì)數(shù)器輸出指向RAM的下一個(gè)存儲(chǔ)單元。這樣，簡(jiǎn)單地執(zhí)行I/O指令，就可以傳送一批數(shù)據(jù)。而下位的微處理器（DSP）采用的是存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式，它將IDT7132的2K空間映射自己的外存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙端口RAM的任意存儲(chǔ)單元的訪問(wèn)。
在PC機(jī)和DSP對(duì)端口RAM訪問(wèn)時(shí)，只要不是同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)存儲(chǔ)單元，就允許兩個(gè)端口對(duì)片內(nèi)任何單元同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的讀/寫(xiě)操作，而且互不干擾。但兩個(gè)端口訪問(wèn)同一存儲(chǔ)單元，會(huì)造成同時(shí)