大连理工大学
硕士学位论文
基于DSP的多轴运动控制器的研究
姓名：徐鸿书
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：王永青
20050301
大连理工大学硕士学位论文
摘要
本文研究实现了开放式数控系统中基于ＤＳＰ的多轴运动控制器的硬件及软件构成，并最后通过实验测试了板卡的性能。
运动控制器的ＣＰＵ为ＴＩ公司的１６位定点数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。本文详细介绍了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的工作原理及编程环境。通过采用具有极高运算速度的ＤＳＰ芯片能使整个控制系统具有更高的效率、更高的安全性，完全能满足数控加工的实时性要求。
本文研究应用通过双口ＲＡＭ实现运动控制器与ＰＣ机的数据通讯，介绍了双口ＲＡＭ作为ＤＳＰ和ＰＣ中间共享存储器通讯的实现机理。采用双口ＲＡＭ作为数据交换的中介，是一种实用、高效的系统实现方法，可以使系统交换更高速可靠地完成。
控制器构成的数控系统为半闭环系统，其位置反馈电路针对脉冲编码器的信号进行处理。反馈到控制器中进行位置控制。这一部分采用倍频、计数芯片ＨＣＴＬ２０２０完成，能有效有简化系统设计，提高系统设计质量。
完成控制器外界接口模块的设计工作，实现用Ｄ／Ａ及脉冲两种控制信号输出方式，其中着重介绍了模拟量输出方式的电路设计过程。
整体硬件采用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＧＡＬ２２Ｖ１０来完成电路的逻辑电路设计，可有效地减少板卡的体积及增加电路的可靠性，编程语言采用ＡＢＥＬ语句。
本文详细介绍了将实时嵌入式系统ｐＣ／ＯＳ－ＩＩ移植入控制器的实现方法，并在此实时嵌入式系统的基础上介绍了ＤＳＰ运动控制器的软件总体结构设计，绘出了其中关键程序模块，如插补程序、位置控制程序及主循环程序设计模块。
课题完成了整个硬件的设计，并完成了系统软件体系的构成，包括ＤＳＰ的初始化、多任务的建立、各个功能模块的初步构成，并在ＴＩ公司ＣＣＳ２．２０（Ｃ２０００）系统环境下完成硬件测试工作，最后进行了多任务运行ＣＰＵ占用量的测试，取得了预期的效果。
关键词：开放式数控系统：多轴运动控制器；数字信号处理器：ⅣＣ／ＯＳ－ＩＩ
基于ＤＳＰ的多轴运动控制器的研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄ，ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｂｏａｒｄｃａｒｄｉＳｔｅｓｔｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．
Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｆｒ＆ｍｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｉＳｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｌｌ：Ｔｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｒｅｇａｒｄｓ１６－Ｂｉｔｆｉｘｅｄ－ｐｏｉｎｔＤＳＰＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａａｓｔｈｅｋｅｙｃｈｉｐ，ｗｈｉｃｈｏｆｆｅｒｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ４０ＭＩＰＳ，ＰＷＭｃｉｒｃｕｉｔ，１６ｃｈａｎｎｅｌｓＡＤＣ，ｔｉｍｅｒ，ＰＬＬ，ｅｔｃ．ｆｕｎｃｔｉｏｎｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙｂｌｏｃｋｓｔｏｒｅｒｅｓｏｕｒｃｅ；ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓｄａｔａｗｉｔｈＰＣｔｈｒｏｕｇｈＤＰＲＡＭ．ｔｈｉｓｉｓａｋｉｎｄｏｆｈｉｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｃａｐｒｉｍａｋｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｏｒｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｌｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｙ，ｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｏｆｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｅｉｒｃｆｉｉｔｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｆｉｎｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉｐｌｅｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｃｏｕｎｔｃｈｉｐＨＣＴＬ２０２０，ｗｈｉｃｈｈａｓｈｉｌｇｈｎｏｉｓｅｉｍｍｕｎｉｔｙ，ｆｕｌｌ４Ｘｄｅｃｏｄｅａｎｄｑｕａｄｒａｔｕｒｅｄｅｃｏｄｅｒｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓ，ｕｓｉｎｇＨＣＴＬ２０２０ｈａｓｒａｉｓｅｄｔｈｅｑｕｄｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄ；ＵｓｉｎｇＤ／Ａａｎｄｐｕｌｓｅｏｕｔｐｕｔｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｕｔｐｕｔ；ＴｈｅｗｈｏｌｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔａｄｏｐｔｓＧＡＬ２２Ｖ１０ｏｆＬａｔｔｉｃｅｃｏｍｐａｎｙｔｏｆｉｎｉｓｈｔｈｅＢｏｏｌｅａｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈＣａｎｒｅｄｕｃｅａｒｅａｏｆｔｈｅｂｏａｒｄｃａｒｄａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｉｒｃｕｉｔ，
Ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｃｏｍｍｅｎｄｓｉｎｄｅｔａｉｌｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｒｅａｌ－ｔｉｍｅｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｕｃ／ｏｓ—ＩＩｉｎｔｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｗｈｏｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＤＳＰａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｋｅｙｐｒｏｇｒａｍｍｏｄｕｌｅ，ｓｕｃｈａｓｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍａｎｄｍａｉｎｄｅｓｉｇｎｐｒｏｇｒａｍ．
Ｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔｈａｓｆｉｎｉｓｈｅｄｔｈｅｗｈｏｌｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｈａｓｆｉｎｉｓｈｅｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｉｚｅｏｆＤＳＰ，ｓｅｔｔｉｎｇｕｐｍｕｌｔｉｔａｓｋ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｈａｓｆｉｎｉｓｈｅｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｔｅｓｔｊｏｂｕｎｄｅｒＣＣＳ２．２０ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆＴＩ，ｃａｒｒｉｅｄｏｎｍｕｌｔｉｔａｓｋｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｈａｓｍａｄｅｔｈｅａｎｔｉｃｉｐａｔｅｄｒｅｓｕｌｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＯｐｅｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＣＮＣ；Ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＤＳＰ；ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ
大连理工太学硕士学位论文
月ｌＪ看
由于技术进步、市场竞争地加剧，数控系统正逐渐由专用体系结构的单ｃＰｕ系统发展为具有开放性、互操作性、可移植性、模块化的多ｃＰｕ的开放式体系结构的系统，开放式数控系统正得至Ⅱ越来越广泛的应用。其中，ＮＣ嵌入ＰＣ型的数控系统最为流行，即将具有高速度、高精度的运动控制器或整个ＣＮＣ单元插入ＰＣ扩展槽中，利用ＰＣ机丰富的软件资源完成整个系统的人机界面、输入输出、预处理等非实时处理任务，实时控制则由运动控制器来承担，具有开放性的运动控制器是该系统的核心部分，本文就在于研究一种构成开放式数控系统中关键部件之一的基于ＤＳＰ的多轴运动控制器。
运动控制器的实现按技术发展过程依次经历过基于大规模集成电路、基于微处理器、基于专用控制芯片等阶段。但由于其核心芯片运行速度慢、编程控制复杂、功能单调或程序算法固化难维护升级等缺点，使其在社会中难以得到广泛应用。９０年代以来，数字信号处理器ＤＳＰ在控制中得到越来越广泛的应用，利用高速ＤＳＰ实时运算复杂控制算法，实现高精度多轴伺服控制已成为２１世纪运动控制技术发展的方向。对于基于ＤＳＰ的运动控制器，国内外已经进行了大量的研究，并且在国外已经得到广泛的实际应用，其中以美国ＤｅｌｔａＴａｕ公司生产的ＰＭＡＣ多轴运动控制器最为出色，控制器本身具有ＣＰＵ，同时开放包括通信端口、结构在内的大部分地址空间，辅以通用的ＤＬＬ同ＰＣ结合地最为紧密。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资料，目前已达到远程控制等先进水平。国内对于基于ＤＳＰ控制器的研究也有了很大的进步，但大多都处于理论研究阶段，还远没有达到实际应用地步，其中华中科技大学、中科院电工研究所等都有人进行了专门的研究，获得了一定的研究成果。
本文研究的基于可编程ＤＳＰ苍片为核心的多轴控制器系统采用４０ＭＨｚ的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片，并参考以上国内外研究的成果，对运动控制器进行了深入地研究，并初步实现了控制器的部分设计功能。可实现功能复杂、要求较高的运动控制，且系统升级容易、具有可扩展性、易维护性等特点。
基于ＤＳＰ的多轴运动控制嚣的研究
１绪论
１。ｌ数控系统的发展历史
数字控制（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒ０１）是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控（ＮＣ）。数控系统是一种控制系统。它自动阅读输入载体上事先给定的数字值，并将其译码，从而使机床动作和加工零件。数控系统包括数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分‰
数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。这种数控的工作母机是国家工业现代化的重要物质基础之一”’。
数控技术从一诞生起就同其它技术紧密联系在一起，是机械、微电子、自动控制、计算机信息等技术交叉应用的产物。１９５２年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控铣床。这台ＮＣ机床的研制成功标志着ＮＣ技术豹开创和机械制造的一个新的、数值控制时代的开始９’，当时控制装置由２０００多个电子管组成。伴随着微电子技术、计算机技术、数据信息处理技术、自动控制技术和伺服技术的发展进步，数控技术取得了长足的发展，数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式、小规模集成电路式、大规模集成电路式、小型计算机式、超大规模集成电路、微机式的数控系统（ＣＮＣ）。到８０年代，总体发展趋势是：数控装置由ＮＣ向ＣＮＣ发展：广泛采用３２位ＣＰＵ组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要：驱动装置向交流、数字化方向发展；ＣＮＣ装置向人工智能化方向发展：采用新型的自动编程系统：增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高。
１，２数控系统的发展趋势
计算机数控（ＣＮＣ）系统已经成为当今先进制造技术的重要组成部分。尤其是２０世纪７０～８０年代，数控系统的发展进入到了普及和应用的成熟期．在系统产量及数控机床生产上，都有大幅度增长，可靠性也大为提高，但同时也暴露出不少问题。世界上几家有名的数控系统生产厂，研制和生产的数控系统都是一种封闭式的专用系统，各个厂家的数控系统不能相互通用，各个模块之间互不兼容，系统间各个模块的交互方式，通讯机制也各不相同，这样虽然有利于各个厂家的技术保护，利润获取的最大化，但毫无疑问，这也造成了各个厂家技术的互相封闭，用户培训及其二次开发的难度，不利于整体市场的发展。
这种专用的数控系统在结构上提供给用户有限的选择，用户无法对现有数控设备的
大连理工大学硕士学位论文
功能进行修改以满足自己特殊的需求，是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。它缺点如下”１：
（１）与通用计算机不兼容，不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家的不同系列的数控系统也不兼容。
（２）各种数控系统的内部结构复杂，一旦数控系统发生故障，往往需要找生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用。
（３）难进行升级和进一步开发。
（４）专用封闭式数控系统的发展一般滞后５年左右，在计算机技术迅猛发展的今天，这是一个相当长的时间。
总之，由于传统的数控系统结构带来了功能扩展困难、难于实现信息集成等弊端，己不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。
随羞各项技术的发展尤其是电子技术及计算机技术的飞速发展，以及市场发展的要求，现代数控技术越来越呈现以下发展趋势”’“…：
（１）新一代数控系统采用开放式体系结构。进入９０年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快地更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用ＰＣ机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升级或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。
（２）新一代数控系统控制性能大大提高。数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域地渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。
（３）数控系统向高速、高精度方向发展。要提高机械加工的生产效率，其中最主要的方法就是提高速度，但是这样做会降低加工精度。现代数控机床在提高速度的同时，也在进行高精度化。目前己可在０．１口ｍ的最小设定单位时，进给速度达２４ｍ／ｒａｉｎ。这就对数控系统提出更高的要求。主要是提高计算机的运算速度，用３２位的ＣＰＵ取代１６位的ＣＰＵ，主机主频也从５ＭＨｚ提高到３３ＭＨｚ甚至更高。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度；有的则采用多ＣＰＵ系统，减轻主ＣＰＵ的负担，提高控制速度。
（４）向网络化发展。为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能日趋重要，可以实现企业内部的资源和信息共享，适应远程加工和诊断等。
可以看出，为适应数控发展的要求及用户个性化要求创建一个新的强有力的开放性体系结构已是数控发展的最重要趋势。
基于ＤＳＰ的多轴运动控制嚣的研究
１．３开放式数控系统及其研究现状
基于对计算机数字控制装置在数控系统中重要性和开放式数控系统发展趋势的认识，从９０年代开始，有些发达国家以设计生产开放式数控系统为目标，在自动化领域对开放式体系结构做了大量的开发研究工作，相继推出了各自的开放式体系结构规范。
１．３．１开放式数控系统的概念
ＩＥＥ（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式系统的：“具有下列特性的系统可以被称为开放系统；符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。””’”
开放式控制系统的基本特征是以通用的个人计算机的硬件和软件为基础。其体系结构普遍采用模块化、层次化的机构，并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开放式能带给控制器制造商、机床制造商和用户最大的利益。控制器制造商可以对系统功能任意剪裁和组配以满足不同用户的要求。机床制造商不用公开他们的技术秘密就能把他们的功能加入到控制系统中，使用户可进行再开发、系统地维修和升级。…
１．３．２开放式数控系统的研究现状
目前，国际上与开放式数控研究相关得项目比较多９１，较典型的有美国的ＯＭＡＣ计划、欧洲的ＯＳＡＣＡ计划和日本的ＯＳＥＣ计划。其基本特征是建立一个规范的软、硬件公共平台，然后通过扩充使其适用于不同的控制对象。
（１）美国的ＮＧＣ计划９’…’“‘
ＮＧＣ（ＮｅｘｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）计划．目的是制定一套新一代开放式控制系统的规范，开发符合下一代控制器（ＮＧＣ）规范的产品，提供ＮＧＣ标准化的成果。ＮＧＣ的体系结构，是在虚拟机械基础上把子系统和模块链接到计算机平台上。ＮＧＣ计划已于１９９４年完成了原型研究，并转向工业上的开发应用。与此同时，美国的三大汽车公司（通用、福特、克莱斯勒）为解决自身发展中碰到的问题，在ＮＧＣ计划指导下，联合提出了“开放式模块化体系结构控制器”即ＯＭＡＣ（ＯｐｅｎＭｏｄｕｌａｒＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的开发计划，由政府支持实施。其目的是开发一种模块化的可重构控制系统，能适应新技术的发展和用户需求，随时可纳入或集成模块化软件与硬件，使之重构成一个高效的控制器，以实现具有低成本、少维护、开发周期短、更新换代快等特点的控制系统。实际上，ＯＭＡＣ是一种概念并不是一种控制器或标准，这在美国工业界内也已普遍认识到。
（２）欧盟的ＯＳＡＣＡ计划９‘”‘“１
０ＳＡＣＡ（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）计划，
是欧洲ＥＳＰＲＩＴＩｌｌ中一项名日“自动化系统中的开放式控制系统体系结构”。它以德国机床制造联合会（ＶＤＷ）为主，协同欧盟２０余家厂商及科研机构于１９９０年共同发起，在１９９２年５月正式得到欧盟的认可，分三个阶段实施：第一阶段称为
大连理工大学颈士学位论文
ＯＳＡＣＡＩ，在１９９４年结束，完成了ＯＳＡＣＡ规范和应用指南的制定；第二阶段ＯＳＡＣＡＩＩ（ＥＳＰ砒Ｔ９１１５），于１９９６年４月结束，完成了按规范对标准的通用的系统平台开发，并用来调试、验证、扩展第一阶段的各种规范；第三阶段为ＩＤＡＳＯＳＡＣＡ（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｉｓｓｅｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄＡｗａｒｅｎｅｓｓＡｃｔｉｏｎ），于１９９７年１月开始，着手推广ＯＳＡＣＡ思想及前期工作成果，进而为使ＯＳＡＣＡ成为自动化领域的通用国际标准而努力。
０ＳＡＣＡ的总体构想是，将新型控制系统建立在
一个新的体系结构上，这种控制器的特点是开放。事
实上，ＯＳＡＣＡ是参照了开放式系统互连模型而提出
一个“分层的系统平台＋结构化的功能单元”的体系
结构，又把控制软件作为应用软件来考虑的一种分层
的参考体系结构。ＯＳＡＣＡ的软件结构中，有３个主要
组成部分：通信系统（ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）（结构
如图１．１所示）、参考体系结构模型（ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＡｒ—
ｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＭｏｄｕｌａｒ）和配置系统（ＣｏｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＳｙｓ．ｔｅｒｎ），是基于信息通信平台建立的。
（３）日本的ＯＳＥＣ计划ｈ”’１１
图１１ＯＳＡＣＡ的通信系统结构Ｆｉｇ．ｉ．ＩＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆＯＳＡＣＡ
１９９０年日本ＩＭＳ中心成立，启动一项面向２１世纪制造产业的长期研究计划一智能制造系统（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＩＭＳ）。１９９４年，由东芝机器、三菱电机等６家日本公司联合成立了一个名为控制器开放系统环境（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）的工作委员会。ＯＳＥＣ主要内容是基于ＰＣ平台的开放式系统，旨在确定“不依赖于特定卖主的开放性控制器”的结构。其中研究的重点集中在ＮＣ本身和分布式控制（ＤＮＣ）系统上，因为ＯＳＥＣ认为从制造的角度看，ＮＣ就是分布式ＤＮＣ制造系统的一个服务器。ＯＳＥＣ所谓的开放式系统本身就被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不问配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于ＰＣ的标准化人机界面的要求。
ＯＳＥＣ的目标是提出一个国际性的ＦＡ（工厂自动化）控制设备标准，它提出了控制器的分层模型，明确了各层次模块的功能、服务内容及接口规范，将各功能单元分组并结构化一些功能层中，其开放式系统包括了３个功能层共７个处理阶层（如图１．２所示）。此外还定义了一种新的ＮＣ数据表示法ＦＡＤＬ（工厂自动化描述语言），该语言具有能面向对象设计、能抽象硬件（数据可以移植到带有解释器的任何一台机器上）、能表征曲线形状等优点。
ＯＳＥＣ分层结构是按照数控系统控制功能划分的，每一处理层都被划分为ＮＣ基本功能和可变功能两部分，其开放性体现在每一功能层的可变功能部分，因此是～种阶段性和进化性的开放式体系结构，是可以阶段性地实现的。而ＯＳＡＣＡ和ＯＭＡＣ在目前阶段还是一个理想。
以上三个计划分别相应提出了三个不同的标准化模块。目前，在世界范围内还没有形成统一标准的硬件和软件平台以及标准的用户界面。［１ｎ】
与国外先进的数控系统相比，我国对于开放式数控系统的研究还处于低级阶段。目前国内已有的开放性控制系统有四种：华中Ｉ型、中华Ｉ型、航天Ｉ型和蓝天Ｉ型。国内
基于ＤＳＰ的多轴运动控制嚣的研宽
ＶⅡ
Ⅵ
Ｖ应用环境功能层
ｌ！竺兰！竺：塑三塑型！
ｒ］［：：：：；ｉ！彗”ｃ环境功能层『组合运动、事件控制等ｌｌ
。。。驱动部分
图１．２ＯＳＥＣ开放式系统体系结构
Ｆｉｇ１．２ＯＳＥＣｏｐｅｎｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
的开放控制系统各有优点，但从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放性控制系统的本质特征，仍有许多需要改进之处。首先，开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。其次，没有充分利用像Ｗｉｎｄｏｗｓ、ＵＮＩＸ、ｏｓ／２等新型操作系统。软件开发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。
国际间开放式数控系统研究的浪潮既给我们带来了压力，同时也带来了发展的机遇，我们应该抓住这一大好时机，迅速开展并深化我国的开放性控制系统的研究，结合我国的实际情况，制定近期和中长期目标与计划，在制定开放性控制系统标准的基础上，尽快推出我国的新一代开放性控制系统产品。
１．４开放式数控系统的实现途径
尽管开放式数控系统具有传统数控系统无法比拟的优点，是数控技术发展的方向。但现阶段，真正实现数控系统的完全开放还难以做到，一些数控系统只是具备了开放式系统特点或者开放程度相对大一些而已。目前，利用现有ＰＣ机的软硬件规范设计开放式数控系统，已成为数控系统技术发展的最新潮流。旧１从研究进展及实现技术上看，主
Ⅳ
ｍⅡ，
大连理工大学硕士学位论文
要有以下三种：“““１
（１）数控专用模板嵌入通用ＰＣ机构成的数控系统
以国内具有开放式系统特点的华中Ｉ型数控系统为例，该系统采用了以ＰＣ机为硬件平台，ＤＯＳ，Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构。与传统ＣＮＣ系统相比，这种系统具有软、硬件资源的通用性、丰富性、透明性、软件的可再生性；便于引入新技术进行升级、换代的优点。
这种数控系统在ＰＣ机上嵌入的数控专用模板有：内装式ＰＬＣ单元，由光电隔离开关量输入板、光电隔离开关量输出板及多功能板组成。系统的位置单元接口可根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法：当伺服单元为数字式交流伺服时，位置单元接口采用串口通讯板；当伺服单元为模拟式交流伺服时，位置单元接口采用位置环板。系统带ＲＳ２３２Ｃ接口，可直接与ＣＡＤ／ＣＡＭ连接，带网络卡可连入工厂网络。
系统可以共享一些计算机的软、硬件资源，计算机主要起到辅助编程、分析、监控、指挥生产、编排工艺等工作。这种数控系统由于其开放性只在ＰＣ部分，其专业的数控部分仍处于瓶颈结构，是一种初步的开放式数控系统。
（２）通用ＰＣ机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统
机床运动控制，逻辑控制功能由独立的运动控制器完成，运动控制器通常由以ＰＣ硬件插件的形式构成系统。数控上层软件（数控程序编辑，人机界面等）以ＰＣ为平台，是Ｗｉｎｄｏｗｓ等主流操作系统上的标准应用，并支持用户定制。此数控系统是完全采用以ＰＣ为硬件平台的数控系统。本数控系统主要部件是ＰＣ和能独立控制的运动控制器。其中控制器以美国ＤｅｌｔａＴａｕ公司生产的ＰＭＡＣ””多轴运动控制器最为出色，控制器本身具有ＣＰＵ，同时开放包括通信端口、结构在内的大部分地址空间，辅以通用的ＤＬＬ同ＰＣ结合地最为紧密。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资料，目前已达到远程控制等先进水平。
图１３ＰＡＭＣ加ＰＣ机数控系统
Ｆｉｇ．１．３ＮＣＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＯｉｌＰＡＭＣａｎｄＰＣ
图１．４基于ＰＣ和轴控制器的数控系统
Ｆｉｇ．１．４ＴｈｅＮＣｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＣａｎｄａｘｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
１．５．１运动控制器的研究现状
目前国外已有不少著名的大公司开发出了开放式的运动控制器，其中的ＰＭＡＣ”“（全称可编程多轴运动控制器）是一个很有代表性的产品。它是美国ＤｅｌｔａＴａｕＤａｔａＳｙｓ—ｔｅｍｓ公司１９９０年推出的完全开放体系结构、ＰＣ机平台上的运动控制器。该产品使用Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＤＳＰ５６００２为核心ＣＰＵ，具有Ｓ曲线加减速功能，可以实现直线、圆弧、螺旋线等多种插补方式。提供全新的高性能数字控制技术和ｗＩＮＤＯｗＳ平台，并且可以方便地加入系统的硬件和软件，能够根据实际需要扩展功能，满足用户在自动控制各领域中的应用。现在，ＰＭＡＣ己发展到第五代，其最新产品ＴＵＲＢＯＰＭＡＣ可控制３２个轴，ＣＰＵ速度为１５０ＭＨｚ，具有光纤通讯、ＭＡＣＲＯ环形网等功能，在世界上处于领先地位。
我国在运动控制器产品开发方面相对落后，大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。“八五”期间，我国广大科研工作者也成功开发了两种数控平台和华中ｌ型、蓝天Ｉ型、航天１型、中华Ｉ型等４种基本系统，这些系统采用模块化，嵌入式的软、硬件结构。其中以华中Ｉ型较具代表性，它采用工业ＰＣ机上插接口卡的结构，运行在ＤＯＳ平台上，具有较好的模块化、层次化特征，具有一定扩展和伸缩性。但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器产品，
国内针对运动控制器的研究主要集中在各个高校或科研院所为自己设计的基于ＰＣ的数控系统的控制卡，并没有形成一种通用的，系列化供应市场的产品。
运动控制器根据实现控制的方法不同，大多数控制方案由如下几种方案之一为核心来实现：
（１）以单片机或微处理器作为核心的运动控制器””
通常的微处理采用ＭＣＳ一５１、ＭＣＳ一９６等为代表的８位或１６位单片机。以微处理器为核心的控制器具有电路简单、可以实现较复杂的控制算法、具有一定的灵活性和适应性、提供一定的人机及面管理等功能。在一些性能要求不是很高的场合，是一种普遍应用的控制电动机的运动控制卡。
然而，由丁二微处理器一般采用冯一诺依曼总线结构，处理器的速度有限，处理能力也
有限：而且，单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。同时，一般单片机的集成度
９
大连理二太率硕士掌位论文
１．６论文研究的主要内容
根据国内外数控技术发展的需要，本文从以下几方面对“ＰＣ＋ＮＣ”型开放式数控系统中的运动控制器进行了有效地研究：
（１）研究完成了ＤＳＰ运动控制器地硬件设计。设计了一种基于ＤＳＰ的多轴运动控制器，具有通过ＰＣＩ总线与ＰＣ机进行数据通讯；具有为伺服单元提供模拟／脉冲量接口；具有反馈电路及Ｖｏ接口电路等部分。
（２）对多轴控制器成功地移植了嵌入式操作系统，ｃ／ｏｓ—ＩＩ。Ⅳｃ／ｏｓ—ＩＩ为一占先式的实时多任务内核。采用此内核大大提高了整体系统地运作效率，从而让系统更加地稳定、可靠。
（３）数控软件的研究。在明确ＤＳＰ运动控制器的软件设计功能基础上，给出了数控系统加工中的插补任务、位置控制任务及ＤＳＰ运动控制主循环任务的程序设计。
（４）板卡的测试及系统的调试。控制器硬件设计完成后，采用各部分独立测试的方法来进。首先检查各个电源模块的工作是否正常；在各个电源模块正常的情况下，对ＤＳＰ硬件模块进行了上电测试，并进行了实时在线编程；最后完成对各个数控功能模块的测试。硬件完成测试后，进行了嵌入式系统移植板卡的试验，并取得了预期试验结果。
基于ＤＳＰ的多轴运动控制器的研究
２ＤＳＰ运动控制器的总体设计
运动控制单元是数控系统中实时性要求较高的核心单元模块，数控系统的性能、精度一定程度上依赖于运动控制单元的快速计算能力和快速控制能力。传统ＣＮＣ系统既要完成系统的管理（包括通信、显示、诊断、零件程序的输入输出以及人机界面管理等）又要完成实时性很强的控制任务（包括译码、刀具补偿、速度处理、运动控制（插补计算、位置控制）、开关量ｉ／ｏ控制等），致使ＣＮＣ系统运动控制部分实时性降低，表现在插补周期和位置控制周期变长，采样时间变长，加工精度下降。
本课题为提高数控系统运动控制的实时性和加工精度，为实现ＰＣ机与运动控制器组成的开放式数控系统，把数控系统中实对性要求较高的运动控制和开关量ｉｌＯ控制任务放到具有独立ＣＰＵ的运动控制器中实现，将它插在工业ＰＣ机的ＰＣＩ扩展槽中，控制主轴、两个进给轴和手摇脉冲发生器，完成数控系统中实时性要求较高的插补计算、位置控制、开关量Ｉ／ｏ控制任务，同时为伺服驱动单元提供模拟量／脉冲量接口。由此可知，ＤＳＰ运动控制系统由微型计算机（ＰＣ机）、ＤＳＰ运动控制器、伺服驱动器、伺服电机构成。整个系统硬件结构如图２．１所示。
图２．１多轴控制器硬件体系结构示意图
Ｆｉｇ．２．１Ｈａｒｄｗａｒｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
整个控制器系统由以下几部分构成：（１）系统的核心处理芯片是采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｘ２４Ｘ系列数字信号处理器（ＤＳＰ）中的一种针对运动控制进行了专门优化的芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。使用高性能的ＤＳＰ芯片，在实现数据量大、计算复杂、实时性要求高的处理任务时，与一般处理器相比，其速度更快、效率更高。（２）系统与上位机ＰＣ之间采用双口ＲＡＭ进行通讯，采用中断响应分区访问的控制方式，可有进行高效实时的信息通讯ａ（３）为满足系统控制的加工要求，控制器系统具有模拟量输出ＤＡ控制和脉冲控制两种方式，可根据实际情况进行选择。这个系统在软件系统的控制下进行协调工作，完成加工任务的要求。
大连理工大学硕士学位论文
２．１运动控制器硬件系统构成
２．１．１ＤＳＰ实时控制芯片
可编程ＤＳＰ芯片是一种具有特殊结构的微处理器，一般采用特殊的软硬件结构，具有程序和数据分开的总线结构，流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。相比于其它单片机微处理器，ＤＳＰ的优越性表现在以下几个方面∞。２…：
（１）采用哈佛结构，哈佛结构是不同于传统的冯一诺依曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问，系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。
（２）采用流水线技术，与哈佛结构相关，ＤＳＰ芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力，本控制器的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ采用４级流水线结构，即：取指令、指令译码、取操作数以及指令执行四个阶段。采用流水线操作，处理器可以并行处理多条指令，每条指令处于流水线的不同阶段，大大提高了指令处理的效率。
（３）运算速度快，为了适应实时数字信号处理的需要，当前的ＤＳＰ都设置了硬件乘法器／加法器，能在单个指令周期内完成乘法／累加运算、任意位数的位移，以及标准的算术和逻辑运算。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。ＴＭＳ３２０当前的水平已达到每秒数千万次乃至数十亿次定点运算或浮点运算。
（４）具有特殊的ＤＳＰ指令，ＤＳＰ芯片的另一个特征就是采用特殊的指令。尤其是在有关于数字信号好处理中，对为了满足ＦＦＴ，卷积等数字信号处理的特殊要求，当前的ＤＳＰ大多在指令系统中设置了“循环寻址”（ＣｉｒｃｕｌａｒＡｄｄｒｅｓｓｉｎｇ）及“位倒序”（Ｂｉｔ．Ｒｅｖｅｒｓｅｄ）指令和其它特殊指令，使得在做这些运算时寻址、排序及计算速度大大提高，单片ＤＳＰ做１０２４点复数ＦＦＴ所需的时间己经降到微秒级。
运动控制器系统所用的ＤＳＰ芯片是ＴＩ公司推出的面向数字控制系统，尤其是数字运动控制系统设计的新一代１６位数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。此芯片作为此系列的新成员为数字运动控制系统提供了具有低成本、低功耗、高性能的选择，其具有最高４０ＭＩＰＳ的执行速度，使得指令周期仅为２５ｎｓ，高达３２Ｋ的片内Ｆｌａｓｈ，两个针对电机控制的事件管理模块，高性能的１０位模数转换模块，丰富的Ｉ／Ｏ资源以及为适应需大量存储单元的要求，提供了外部存储接Ｅｌ模块，并通过配置片内等待状态发生器，实现高速ＣＰＵ与慢速存储器及其外设的无缝接口Ⅲ。”１。因此，本文所研究的以拥有强大性能ＤＳＰ为核心微处理器的控制器可实现高速度、高精度、多轴同步控制的加工要求。
２．１．２多轴控制器与ＰＣ机的高速、有效地数据通信
基于ＤＳＰ的运动控制器以ＰＣ机作为信息处理平台，运动控制器以卡的形式插入ＰＣ扩展槽中，与ＰＣ机构成“ＰＣ＋控制器”形式的开放式数控系统。因此两者之间需要建立一套实时效率高的通讯机制，以ｌ！上ＮＮＮＮ息相瓦沟通，达到数控加工的目的。
基于ＤＳＰ的多轴运动控制嚣的研究
轴运动控制器系统是一个实时控制的ＮＣ系统，需要与ＰＣ机进行高速有效地数据传输。因此，ＤＳＰ与ＰＣ机之间的数据交换一般采用并行方式，其中并行方式中的采用双口ＲＡＭ作为传输媒介的方式在应用中最为广泛。９”由于双端口ＲＡＭ具有两套独立的数据和地址总线及相应的控制信号线，对于两边的ＤＳＰ及ＰＣ都不需要另外加任何逻辑电路，就相当于连接普通的ＳＲＡＭ一样。所以使得系统通讯非常简单，同时效率很高。控制器与ＰＣ数据传输构成如图２．２所示：系统要求两者之间既要高效快速地传递
双端口ＴＭ￥３２０ＬＦ
（Ａｏ—Ａ１２＞ＲＡＭ：Ａ０－Ａ１２：２４０７Ａ
９０５２
（ＩＤＴＴ０２母
骘“
∞
厂—］
窑竹—叫］。ｄ嚣Ｉ三
叫Ｅｍｂ
－￡
＝｜卜
７—一ｒ一
、＼／
图２．２ＤＳＰ与ＰＣ机的通讯示意图
Ｆｉｇ．２．２ＤＳＰａｎｄＰＣｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｋｅｔｃｈｍａｐ
数据，同时又要避免两者同时对同一地址访问操作而产生的竞争风险。因此，ＤＳＰ控制系统采用中断响应分区访问的方式进行数据传输。两者通过中断进行动作，通过控制字来对指定区域进行访问。进行数据传输时，ＰＣ上位机对指定区域写入将要传输的数据，并对中断控制字区域写入控制字，由双口ＲＡＭ产生发送传输数据的中断脉冲，ＤＳＰ响应中断，并读取控制字，根据控制字对指定区域读取完所传送数据后，进行清除中断信号动作。同理，ＤＳＰ返回的数据也将采用此中断方式进行，以完成上位ＰＣ机对数控系统的控制、管理、监控等功能。两者的访问操作都是在中断方式下，访问特定分区区域进行的，这种传递数据的方式可充分实现高速有效传输数据的目的，并因采用中断方式，所以还具有实时响应快的特点。
２．１．３控制信号输出
系统具有两种控制信号输出方式。（１）脉冲指令控制方式：ＤＳＰ将插补计算好的位置指令以脉冲方式为脉冲型伺服驱动单元提供位置信号，此控制方式不需要位置反馈；（２）模拟输出控制：位置控制输出指令，经Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ公司四通道ＤＡＣ７７２４控制芯片转换，送到模拟接口伺服单元，此控制方式为半闭环控制方式，插补运算后的指令经位置反馈控制，达到较高的加工精度。
实际应用中，可以根据加工精度的要求不同选择合适的控制信号输出方式，并可根据软件设定来灵活的选定。
大连理工大学硬士学位论文
２．２多轴控制器软件系统构成
为有效地协调系统各部分有序运行，提高整体系统的运作效率，从而让系统更加地稳定、可靠，常常需要使用实时嵌入式操作系统。本文对控制器系统研究并移植嵌入了实时操作系统ｕｃ／ｏｓ－ＩＩ。
２．２．１．Ｃ／ＯＳ．ＩＩ的移植
ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ是一种源码公开的、可移植、可固化、可裁减占先式的实时多任务操作系统。其可以大致分成以下几部分：（１）核心部分是操作系统的处理核心，包括系统的初始化、运行中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多任务。（２）任务处理部分包括任务的建立、删除、挂起、恢复等，是ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ相当重要的部分。（３）时钟部分ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ中的最小时钟单位为ｔｉｍｅｔｉｃｋ（时钟节拍），任务的延时、操作是在这里完成的。本系统中采用定时器１作为时钟源，来产生系统所需的时钟节拍。（４）任务同步及通信任务为事件处理部分，主要用于任务问的互相联系和对临界资源的访问。（５）与ＣＰＵ的接Ｉ：１部分是指ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ针对使用的ＣＰＵ的移植部分，这部分需要根据ＣＰＵ具体特点作相应的移植。…１
ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ为一个通用的嵌入式系统，移植代码主要编写ＯＳ—ＣＰＵ—Ａ．ＡＳＭ文件中的四个子程序：一ＯＳＳｔａｒＨ遮ｈＲｄｙ、一ＯＳＣｔｘＳｗ、一ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ和一ＯＳＴｉｅｋＩＳＲ。四个子程序需要用汇编语言编写，移植过程中需要注意ＤＳＰ内部寄存嚣在Ｃ编译器中的默认分配，并在进行堆栈进出操作时，保证对环境能完整压栈与完整恢复。系统使用定时器１周期中断（Ｔ１ＰＩＮＴ）作为时钟节拍（中断向量为ＩＮＴ２）；使用软中断８作为任务切换的中断服务例程。系统移植中还需要编写ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ中的ＯＳＴ髂ｋＳｔｋｌｎｉｔ（）子程序，该函数可以模仿ＴＩ公司Ｉ￥￥ＳＡＶＥ库函数对任务堆栈进行初始化。”“通过移植嵌入式系统。实现控制系统多任务实时运行，可以最大发挥系统的性能，便于控制系统的开发，同时由于采用任务化运行，便于添加新的控制任务，有利于以后系统的升级，因此对系统效能提高是明显的。
２．２．２控制系统软件调度机制
控制器系统是一个实时占先式的多任务系统。实时性是指必须在控制器规定的时间
内完成，否则将导致执行结果错
误和系统故障；占先式是指总是
最高优先级的任务得到ＣＰＵ的
使用权。控制器在实时操作系统
的控制下协调有序地调用、运行
各个功能模块，从而能实现数控
加工的要求。整体系统软件运行
体系结构如图２．３所示在实时系
统的协调下，实现：（１）插补运算ＰＣ机将解释之后的指令下载
图２．３系统软件运行体系图
Ｆｉｇ２．３Ｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｗａｒｅｆｒａｍｅｗｏｒｋ
墓于ＤＳＰ的多轴运动控帮器的研兜
到控制器板卡中的双口ＲＡＭ，ＤＳＰ读取捅补所需的数据进行捅补运算。此功能的实现由插补任务模块实现。
（２）位置控制位置控制程序需将插补后的指令依据外在控制方式不同而进行处理：在模拟输出控制方式时，为一个半闭环控制系统，加工指令位置经反馈量调节后，通过ＤＡ将控制指令送到伺服单元；在脉冲控制方式是，可直接将插补计算好的位置指令定时送到脉冲伺服单元，来提供位置信号，不需要位置反馈。
（３）位置检测此程序定时获取位置反馈单元的位置信息，并经一定处理后将位置信息送到位置控制程序及双口ＲＡＭ中的返回信息区。
（４）控制器运行状态信息控制器中的一些运行信息，比如各轴的指令位置、实际位置指令及其一些异常信息等情况。可在此程序中进行分别处理。
（５）异常突发性情况处理控制器在处理过程中，针对一些突发性事件，比如故障产生（急停、机械限位、硬件故障等）采用中断方式进行。且为高于任务时间片切换中断的ＩＮＴＩ中断，一旦产生此类情况中断，立即保存各个任务模块，进入异常突发事件中断子程序进行处理。
２．３本章小结
本章从整体上对多轴控制器的软、硬件系统作了简略的介绍，对各部分功能进行了一次初步叙述，便于从整体上把握住多轴控制器。有关多轴控制器的详细内容将在三、四章给予叙述。
大连理工大学硕士学位论夏
３多轴运动控制器硬件体系结构
通过上章节可知，开放式数控系统中，运动控制器主要完成对电机位置和速度的实时控制，因而需要进行位置控制、插补运算、Ｉ／Ｏ控制，同时控制器还需要为伺服驱动单元提供模拟量输出及脉冲量输出接口，故控制器的方案如下：
（１）控制器需要实时进行位置控制，进行高精度、高速度的插补运算，因此，控制器要具有强大的计算能力，以利于数控加工精度及速度的要求。本课题选用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ数字信号处理器（ＤＳＰ）作为控制器的运算核心，其最高运行频率可达４０ＭＨｚ，其采用先进的哈佛结构、流水线指令方式，具有硬件乘法器等特点，大大提高了系统的运算速度。
（２）ＤＳＰ运动控制器进行数控加工时，需要上位机（ＰＣ）进行ＣＮＣ系统加工指令的输入、译码等操作，并把解释后的插补数据输送到ＤＳＰ运动控制器中，因此，控制器应具有与上位机的接口电路。
（３）位置控制中，控制器需要实时测量坐标轴的实际位置，因此，该控制器应具有位置反馈接口电路。
（４）为实现控制器与外界的控制及响应，控制器上应具有Ｉ／０接口。
（５）为伺服单位提供模拟量接口，ＤＳＰ控制器应设有模拟量输出接口电路；同时，提供脉冲量接口电路。
３．１ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ型ＤＳＰ原理概述
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ”“数字信号处理器是ＴＩ公司推出的ＴＭＳ３２０ｘ２４ｘ系列中的一种面向数字马达控制、嵌入式控制系统和数字控制系统开发的新型可编程ＤＳＰ芯片，一般也称为ＤＳＰ控制器。它将一个高性能的１６位、定点、低功耗ＤＳＰ核Ｃ２ｘＬＰ和许多功能外设集成在单芯片上，提供了较高的集成度和较强的运算能力；同时，使目标系统的成本得到极大地降低。与传统的由８位或１６位微控制器构成的系统相比，这种强大的处理能力和专用外设电路的组合使所实现的目标控制系统效率更高、运行起来更安静、能量消耗更低、可靠性更高。同时由于减少了所需外部元部件（如Ａ／Ｄ转换器、串行通信接口等）的个数，从而进一步减少了目标系统的成本和体积。
Ｘ２４Ｘ系列ＤＳＰ控制器面向控制应用场合进行了优化，具有更高的处理能力和更快的速度。其中ＬＦ２４０７Ａ控制器的运算速度能达到４０ＭＩＰＳ（ＭＩＰＳ指的是每秒执行百万条指令），同时片上集成立了ＰＷＭ产生电路、多通道ＡＤ转换电路、ＣＡＮ控制器模块、串行通信接口电路、定时器、锁相环时钟产生电路等功能外设和大容量的片上存储资源。
同时ＴＩ公司提供了丰富的开发支持工具，如系统集成开发环境４…（ＣＣＳ）、模块化软件库、软件评估模块（ＥＶＭ）、初学者开发套件（ＤＳＫ）、软件模拟器、硬件仿真器等。这些措施都使用户可以很容易的掌握ｘ２４ｘ系列ＤＳＰ控制器，并方便地将之应用于各自系统中。