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通用運動控制卡CompactPCI接口的設(shè)計
摘要：簡要介紹了基于CompactPCI總線的熱插拔通用運動控制卡的硬件結(jié)構(gòu)，并對CompactPCI總線接口的硬件設(shè)計進行了討論，提出了電氣措施和設(shè)計要點。近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展及其對硬件可靠性要求的提高，特別是帶有多個運動控制卡的網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)的發(fā)展，對運動控制卡提出了新的要求。運動控制卡應(yīng)具有帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口。在這樣的運動控制系統(tǒng)中，采用可靠性高的嵌入式系統(tǒng)軟件，上位機只需對被控對象實施總體的控制和管理；而位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制的計算及控制量的輸出則均可由以DSP為核心的運動控制卡完成，極大地提高了運算速度和控制響應(yīng)速度。通過帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口的上下機聯(lián)接，使系統(tǒng)具有更高的可靠性和帶電更換故障板卡的能力。
1 CompactPCI接口總線概述
CompactPCI接口總線定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。CompactPCI接口卡安裝在支架上，并使用標(biāo)準(zhǔn)的Eurocard外型。CompactPCI雖然與標(biāo)準(zhǔn)PCI屬同一標(biāo)準(zhǔn)，二者還是有很大的不同。CompactPCI相對PCI來講具有很多優(yōu)點：(1)具有更好的機械特性。它增強了PCI系統(tǒng)在電信或其它條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護性和可靠性。(2)采用Eurocard封裝，系統(tǒng)中氣流均勻。(3)CompactPCI連接器的電源和信號引線支持熱插拔規(guī)范，這對于容錯系統(tǒng)是非常重要的，也是標(biāo)準(zhǔn)PCI所不能實現(xiàn)的功能。(4)總線易于擴展，可同時支持多達256個標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線設(shè)備。(5)CompactPCI背板的連接器插針分為長針、中長針和短針。長針是一些電源針，最短的針是BD-SEL#，其它總線信號和部分電源信號是中長針。連接器插槽J1插孔有長針插孔、中長針和短針插孔，而J2插槽都是中長針插孔。
2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)概述
開放式四軸DSP運動控制卡經(jīng)12位DAC驅(qū)動四個伺服電機，并通過CompactPCI總線背板連接器與主機通信。其中DSP處理器與CompactPCI接口采用PLX公司的PCI9030接口芯片使之和雙口RAM緩沖區(qū)進行通信。
PCI9030是業(yè)界首個支持熱交換的PCI目標(biāo)接口芯片，為CompactPCI接口提供了優(yōu)秀的解決方案。它采用SMARTarget技術(shù)，可以保證高性能的熱交換實施功能，可以支持具有熱交換功能的PICMG2．1目標(biāo)設(shè)備，并且符合PCIv2．2規(guī)范所規(guī)定的32位33MHz目標(biāo)接口功能，可以獲得高達132Mbyte／s的PCI突發(fā)傳輸速度，局部總線操作速度最高可達60MHz，支持5個局部地址空間到PCI總線地址空間的映射(空間0、1、2、3、4以及1個擴展的ROM)，傳輸?shù)却芷诩翱偩�寬度可編程。另外，PCI9030內(nèi)含預(yù)充電BIOS、早期電源支持、熱交換控制／狀態(tài)寄存器(HS_CSR)和附加引腳資源，可利用這些資源以及ENUM#輸出信號、彈出開關(guān)和表示用戶插入／取出狀態(tài)的LED燈實現(xiàn)運動控制板卡的帶電熱插拔的軟硬件控制。
圖1
其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由以下幾部分組成：
· 核心處理器TMS320LF2407，主要完成位置速度PID控制、插補迭代運算、開關(guān)量輸入和輸出、PLC控制等對實時性要求高的任務(wù)，另外還完成程序和數(shù)據(jù)存儲和上下機的通信任務(wù)。
· 模擬量控制電路，將數(shù)字量速度信號經(jīng)四路12位數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC7725轉(zhuǎn)換為-10V～10V的模擬信號，輸出到電機伺服驅(qū)動模塊。
· 反饋電路，由兩片CPLD元件EPM7128SLC84構(gòu)成四路12位可逆脈沖計數(shù)器，對差分光電編碼器的編碼脈沖進行循環(huán)計數(shù)，可實現(xiàn)編碼器Z相點硬件中斷。
· FLASH電路，用于存儲數(shù)控參數(shù)和數(shù)控指令代碼，也用于緊急情況下保護數(shù)據(jù)。
· 開關(guān)量電路，包括通用8／8 I／O點、4個電機使能輸出、4個軸的左右極限輸入和原點中斷輸入等電路。
· 通訊電路，通過PCI接口從模式使3．3V芯片PCI9030和雙口RAM芯片70V24與PC機的CompactPCI總線相連，可以進行高速數(shù)據(jù)傳輸。
本系統(tǒng)是一個閉環(huán)多軸運動控制硬件系統(tǒng)，具有快速精確的計算能力以及較強的數(shù)據(jù)通訊能力，是良好的復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)平臺。
3 CompactPCI接口的設(shè)計
CompactPCI接口的設(shè)計要點在于在硬件插拔過程中，不能對CompactPCI總線產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。所以應(yīng)具有良好的熱電源切換控制電路和相應(yīng)的總線電路以及便于軟件處理熱插拔過程的控制信號。
電源控制和PCI9030的接口原理框圖如圖2所示。
3．1 PCI9030芯片熱插拔控制信號的作用
在Compact PCI規(guī)范中規(guī)定：(1)板卡插入后，硬件初始化過程中應(yīng)點亮藍(lán)燈；(2)板卡即將拔出，軟件能獲知板卡即將拔出，并做好善后工作后，點亮藍(lán)燈。
PCI9030芯片有BD_SEIL# 輸入信號引腳、ENUM#輸出信號引腳、CPCISW輸入信號引腳和LEDON# 輸出信號引腳，均用作CompactPn接口熱插拔控制信號。其功能分別如下：
PCI9030的BD_SEL# 輸入信號引腳同運動控制卡CompactPCI接口的引腳BD_SEL#相連，當(dāng)BD_SEL# 信號變高時，使PCI9030輸出引腳成高阻態(tài)，保護芯片。PCI9030的ENUM# 信號是送到背板的帶上拉的集電極開路信號；它通知背板主機CPU板卡是剛剛插入，還是即將拔出。并通知CPU系統(tǒng)配置改變，使CPU同時執(zhí)行相關(guān)必要的軟件操作(在板卡安裝時，安裝設(shè)備驅(qū)動程序；在移出板卡前，卸載設(shè)備9B動程序)。板卡的插入／拔出狀態(tài)是由CPCISW信號送到PCI9030完成的，這時，PCI9030通過ENUM#信號通知背板主饑硬件配置改變情況，同時主機CPU執(zhí)行相關(guān)必要的軟件操作。當(dāng)操作結(jié)束時，主機CPU通過PCI9030將CPCISW信號寫入HS-CSR寄存器的相應(yīng)位中，使LEDON# 信號變化，點亮或熄滅藍(lán)燈，通知板卡可安全取出或已安全插入。另外，PCI9030將板卡插入／拔出的狀態(tài)(即CPCISW信號)寫入HS_CSR寄存器的相應(yīng)位中，軟件可以通過這些位來查詢板卡插入／拔出狀態(tài)，使軟件可采取各種切換措施，也可以通過向寄存器的相應(yīng)位寫1來清除該位。
3．
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