通用運動(dòng)控制卡CompactPCI接口的設計

摘要：簡(jiǎn)要介紹了基于CompactPCI總線(xiàn)的熱插拔通用運動(dòng)控制卡的硬件結構，并對CompactPCI總線(xiàn)接口的硬件設計進(jìn)行了討論，提出了電氣措施和設計要點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著(zhù)嵌入式系統的快速發(fā)展及其對硬件可靠性要求的提高，特別是帶有多個(gè)運動(dòng)控制卡的網(wǎng)絡(luò )運動(dòng)控制系統的發(fā)展，對運動(dòng)控制卡提出了新的要求。運動(dòng)控制卡應具有帶熱插拔功能的CompactPCI總線(xiàn)接口。在這樣的運動(dòng)控制系統中，采用可靠性高的嵌入式系統軟件，上位機只需對被控對象實(shí)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(dòng)控制卡完成，極大地提高了運算速度和控制響應速度。通過(guò)帶熱插拔功能的CompactPCI總線(xiàn)接口的上下機聯(lián)接，使系統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(xiàn)概述

CompactPCI接口總線(xiàn)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標準完全兼容。CompactPCI接口卡安裝在支架上，并使用標準的Eurocard外型。CompactPCI雖然與標準PCI屬同一標準，二者還是有很大的不同。CompactPCI相對PCI來(lái)講具有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)具有更好的機械特性。它增強了PCI系統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，系統中氣流均勻。(3)CompactPCI連接器的電源和信號引線(xiàn)支持熱插拔規范，這對于容錯系統是非常重要的，也是標準PCI所不能實(shí)現的功能。(4)總線(xiàn)易于擴展，可同時(shí)支持多達256個(gè)標準的PCI總線(xiàn)設備。(5)CompactPCI背板的連接器插針?lè )譃殚L(cháng)針、中長(cháng)針和短針。長(cháng)針是一些電源針，最短的針是BD-SEL#，其它總線(xiàn)信號和部分電源信號是中長(cháng)針。連接器插槽J1插孔有長(cháng)針插孔、中長(cháng)針和短針插孔，而J2插槽都是中長(cháng)針插孔。

2 系統的硬件結構概述

開(kāi)放式四軸DSP運動(dòng)控制卡經(jīng)12位DAC驅動(dòng)四個(gè)伺服電機，并通過(guò)CompactPCI總線(xiàn)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緩沖區進(jìn)行通信。

PCI9030是業(yè)界首個(gè)支持熱交換的PCI目標接口芯片，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(shí)施功能，可以支持具有熱交換功能的PICMG2．1目標設備，并且符合PCIv2．2規范所規定的32位33MHz目標接口功能，可以獲得高達132Mbyte／s的PCI突發(fā)傳輸速度，局部總線(xiàn)操作速度最高可達60MHz，支持5個(gè)局部地址空間到PCI總線(xiàn)地址空間的映射(空間0、1、2、3、4以及1個(gè)擴展的ROM)，傳輸等待周期及總線(xiàn)寬度可編程。另外，PCI9030內含預充電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(kāi)關(guān)和表示用戶(hù)插入／取出狀態(tài)的LED燈實(shí)現運動(dòng)控制板卡的帶電熱插拔的軟硬件控制。

圖1

其硬件結構框圖如圖1所示。該系統由以下幾部分組成：

· 核心處理器TMS320LF2407，主要完成位置速度PID控制、插補迭代運算、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、PLC控制等對實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)，另外還完成程序和數據存儲和上下機的通信任務(wù)。

· 模擬量控制電路，將數字量速度信號經(jīng)四路12位數／模轉換芯片DAC7725轉換為-10V～10V的模擬信號，輸出到電機伺服驅動(dòng)模塊。

· 反饋電路，由兩片CPLD元件EPM7128SLC84構成四路12位可逆脈沖計數器，對差分光電編碼器的編碼脈沖進(jìn)行循環(huán)計數，可實(shí)現編碼器Z相點(diǎn)硬件中斷。

· FLASH電路，用于存儲數控參數和數控指令代碼，也用于緊急情況下保護數據。

· 開(kāi)關(guān)量電路，包括通用8／8 I／O點(diǎn)、4個(gè)電機使能輸出、4個(gè)軸的左右極限輸入和原點(diǎn)中斷輸入等電路。

· 通訊電路，通過(guò)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(xiàn)相連，可以進(jìn)行高速數據傳輸。

本系統是一個(gè)閉環(huán)多軸運動(dòng)控制硬件系統，具有快速精確的計算能力以及較強的數據通訊能力，是良好的復雜數控系統平臺。

3 CompactPCI接口的設計

CompactPCI接口的設計要點(diǎn)在于在硬件插拔過(guò)程中，不能對CompactPCI總線(xiàn)產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線(xiàn)上數據傳輸的正確。所以應具有良好的熱電源切換控制電路和相應的總線(xiàn)電路以及便于軟件處理熱插拔過(guò)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規范中規定：(1)板卡插入后，硬件初始化過(guò)程中應點(diǎn)亮藍燈；(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(diǎn)亮藍燈。

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(dòng)控制卡CompactPCI接口的引腳BD_SEL#相連，當BD_SEL# 信號變高時(shí)，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(kāi)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系統配置改變，使CPU同時(shí)執行相關(guān)必要的軟件操作(在板卡安裝時(shí)，安裝設備驅動(dòng)程序；在移出板卡前，卸載設備9B動(dòng)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(shí)，PCI9030通過(guò)ENUM#信號通知背板主饑硬件配置改變情況，同時(shí)主機CPU執行相關(guān)必要的軟件操作。當操作結束時(shí)，主機CPU通過(guò)PCI9030將CPCISW信號寫(xiě)入HS-CSR寄存器的相應位中，使LEDON# 信號變化，點(diǎn)亮或熄滅藍燈，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(xiě)入HS_CSR寄存器的相應位中，軟件可以通過(guò)這些位來(lái)查詢(xún)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(guò)向寄存器的相應位寫(xiě)1來(lái)清除該位。

3．

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