關(guān)鍵詞：DSP CPLD 母盤(pán)刻錄 運(yùn)動(dòng)控制卡

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成主從式控制系統(tǒng)并由下位機(jī)——運(yùn)動(dòng)控制卡（MotionController）完成主要數(shù)學(xué)運(yùn)算，已經(jīng)成為當(dāng)前先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的主流。運(yùn)動(dòng)控制卡采用高速數(shù)字信號(hào)處理器為核心處理器。由于DSP具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令存儲(chǔ)器，使得在控制單元內(nèi)，數(shù)據(jù)和指令可并行傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法，因而得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)Delta Tau數(shù)字系統(tǒng)公司的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡和香港固高科技的GT-400運(yùn)動(dòng)控制卡分別為國(guó)內(nèi)外商品化運(yùn)動(dòng)控制卡的頂尖之作（PMAC功能強(qiáng)大，適合于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制）。奧地利B&R工業(yè)自動(dòng)化公司的新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC采用多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期與程序長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此它將應(yīng)用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開(kāi)來(lái)，滿足了真正實(shí)時(shí)控制的要求。

高密度母盤(pán)刻錄過(guò)程中有兩個(gè)主運(yùn)動(dòng)。一個(gè)是母盤(pán)的高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是刻錄光學(xué)頭相對(duì)母盤(pán)圓心的直線直線微進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。母盤(pán)刻錄機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的最主要任務(wù)就是通過(guò)對(duì)兩個(gè)主運(yùn)動(dòng)的精密控制，使得聚焦光斑以恒定線速度沿著等線距的外展型阿基米德螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)高精度恒線速刻錄，這兩個(gè)主運(yùn)動(dòng)都必須不斷調(diào)速，并且保證極高的精度�？啼洐C(jī)刻錄時(shí)的道間距很小，只有400nm，刻錄過(guò)程中要求高速8.75×10 4次，而且主軸電機(jī)最高的運(yùn)行速度為1500RPM。在這樣的較高轉(zhuǎn)速的情況下要進(jìn)行如此頻繁的變速，控制的難度很大，傳統(tǒng)的控制方式很難滿足要求。此外，商品化的運(yùn)動(dòng)控制卡由于其具有很強(qiáng)的通用性，也無(wú)法完全滿足母盤(pán)記得錄系統(tǒng)的需要。為此，需要研制用于高密度母盤(pán)刻錄系統(tǒng)的專用運(yùn)動(dòng)控制卡。

1 專用運(yùn)動(dòng)控制卡總體方案

高密度母盤(pán)刻錄機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成的主從式控制系統(tǒng)，并由下位機(jī)——運(yùn)動(dòng)控制卡完成主要數(shù)學(xué)運(yùn)算。工控機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作，運(yùn)動(dòng)控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等）。母盤(pán)刻錄控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于DSP的中心處理器的設(shè)計(jì)是響應(yīng)速度最快、符合最小化原理、穩(wěn)定性最高的方案，同時(shí)也是最復(fù)雜、最難的方案。母盤(pán)刻錄機(jī)專用運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)包括：DSP單元、DSP外部存儲(chǔ)器單元、DSP-DA輸出控制單元、ISA總線接口單元、雙口RAM構(gòu)成的ISA消息協(xié)議棧單元、系統(tǒng)譯碼單元和光柵信號(hào)處理單元。

系統(tǒng)的中心由DSP完成控制和伺服功能；自舉ROM存有DSP數(shù)據(jù)系統(tǒng)主程序及系統(tǒng)初始化信息；數(shù)據(jù)RAM用于存儲(chǔ)DSP運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)；CPLD為數(shù)據(jù)交換邏輯接口，負(fù)責(zé)控制信號(hào)的輸出和光柵信號(hào)的輸入與處理（四倍頻、計(jì)數(shù)等）。該數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)ISA總線接口與工控機(jī)連接，完成控制過(guò)程中控制指令與狀態(tài)參數(shù)的傳遞。

2 具體模塊設(shè)計(jì)

下面具體介紹一下專用運(yùn)動(dòng)控制卡的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

2．1 核心DSP的設(shè)計(jì)

高密度母盤(pán)刻錄機(jī)控制系統(tǒng)的工作是屬于運(yùn)算密集型的任務(wù)，因此采用DSP作為中心處理器是非常好的選擇。由于控制系統(tǒng)要求的精度很高，運(yùn)算量非常大，而且運(yùn)算的動(dòng)態(tài)范圍很大，所以定點(diǎn)的DSP無(wú)法滿足運(yùn)算的要求，不但速度跟不上，而且還會(huì)產(chǎn)生定標(biāo)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)算精度丟失，或是出現(xiàn)溢出錯(cuò)誤。另外考慮到系統(tǒng)兼容性問(wèn)題，最終選擇了TI公司的高精度浮點(diǎn)運(yùn)算處理器TMS320C32作為下位機(jī)的中心處理器。它具有可變寬度的存儲(chǔ)器接口、更快速的指令周期時(shí)間、可設(shè)置優(yōu)先級(jí)的雙通道DMA處理器、靈活的引導(dǎo)程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發(fā)中斷方式等。