隨著電子技術的發展，采用計算機和運動控制卡構成主從式控制系統" title="控制系統">控制系統并由下位機——運動控制卡(Motion Controller)完成主要數學運算，已經成為當前先進運動控制技術的主流^[1]。運動控制卡采用高速數字信號處理器為核心處理器。由于DSP具有獨立的數據存儲器和指令存儲器，使得在控制單元內，數據和指令可并行傳輸，大大提高了數據的處理速度，可以實現各種復雜的控制算法，因而得到了廣泛應用。美國Delta Tau數字系統公司的PMAC運動控制卡和香港固高科技的GT-400運動控制卡分別為國內外商品化運動控制卡的頂尖之作(PMAC功能強大，適合于復雜運動控制)。奧地利B&R工業自動化公司的新一代可編程計算機控制器PCC采用多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期與程序長短無關，而是由操作系統的循環周期決定。由此它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區別開來，滿足了真正實時控制的要求。
　　高密度母盤刻錄過程中有兩個主運動。一個是母盤的高速回轉運動，另一個是刻錄光學頭相對母盤圓心的直線微進給運動。母盤刻錄機的運動控制系統的最主要任務就是通過對兩個主運動的精密控制，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動。為實現高精度恒線速刻錄，這兩個主運動都必須不斷調速，并且保證極高的精度^[2]。刻錄機刻錄時的道間距很小，只有400nm，刻錄過程中要求變速8.75×104次，而且主軸電機最高的運行速度為1500RPM。在這樣的較高轉速的情況下要進行如此頻繁的變速，控制的難度很大，傳統的控制方式很難滿足要求。此外，商品化的運動控制卡由于其具有很強的通用性，也無法完全滿足母盤刻錄系統的需要。為此，需要研制用于高密度母盤刻錄系統的專用運動控制卡^[3]。
1 專用運動控制卡總體方案
　　高密度母盤刻錄機的運動控制系統采用工控機和運動控制卡構成的主從式控制系統，并由下位機——運動控制卡完成主要數學運算。工控機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作，運動控制卡完成運動控制的所有細節(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等)。母盤刻錄控制系統的總體結構如圖1所示。

　　基于DSP的中心處理器的設計是響應速度最快、符合最小化原理、穩定性最高的方案，同時也是最復雜、最難的方案^[4～5]。母盤刻錄機專用運動控制卡的結構如圖2所示。 整個運動控制卡系統包括：DSP單元、DSP外部存儲器單元、DSP－DA輸出控制單元、ISA總線接口單元、雙口RAM構成的ISA消息協議棧單元、系統譯碼單元和光柵信號處理單元。

　　系統的中心由DSP完成控制和伺服功能；自舉ROM存有DSP數控系統主程序及系統初始化信息；數據RAM用于存儲DSP運行時的數據；CPLD為數據交換邏輯接口，負責控制信號的輸出和光柵信號的輸入與處理(四倍頻、計數等)。該數控系統通過ISA總線接口與工控機連接，完成控制過程中控制指令與狀態參數的傳遞。
2 具體模塊設計
　　下面具體介紹一下專用運動控制卡的各個模塊的設計。
2.1 核心DSP的設計
　　高密度母盤刻錄機控制系統的工作是屬于運算密集型的任務，因此采用DSP作為中央處理器是非常好的選擇。由于控制系統要求的精度很高，運算量非常大，而且運算的動態范圍很大，所以定點的DSP無法滿足運算的要求，不但速度跟不上，而且還會產生定標不當的問題，導致運算精度丟失，或是出現溢出錯誤。另外考慮到系統兼容性問題，最終選擇了TI公司的高精度浮點運算處理器TMS320C32作為下位機的中心處理器。它具有可變寬度的存儲器接口、更快速的指令周期時間、可設置優先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發中斷方式等。
2.1.1 核心DSP存儲器電路設計
　　TMS320C32不具有片內的存儲器，所以存儲器的連接十分重要。C32通過24位的地址總線、32位的數據總線和三組選通信號IOSTRB、STRB0、STRB1訪問外部存儲器。TMS320C32總共提供16Ｍ字的存儲空間，每字32bit，這16Ｍ字空間包括程序存儲器、數據存儲器及I/O空間。
　　TMS320C32對外部存儲器的訪問必須經過選通信號引腳，三組選通信號IOSTRB、STRB0、STRB1分別對應存儲器映像的不同位置。IOSTRB對應的存儲器映像從810000h到82FFFFh，總共128K字，當訪問這部分存儲空間時，IOSTRB使能。STRB0對應兩塊不連續的存儲器映像，分別是從1001h到7FFFFFh(共8.192M字)和從880000ｈ到8FFFFFh(共521K字)。STRB1對應從900000ｈ到FFFFFFh的7.168M字。
2.1.2 核心DSP的BOOT LOADER設計
　　DSP有兩種工作模式：微處理器方式(MP)和微計算機方式(MCBL)。微處理器方式(MP)不能自啟動，必須由主機引導才能進入工作狀態，也就是說必須由主機裝入工作程序；微計算機方式(MCBL)具有自啟動和程序自引導功能，這使得TMS320C32的硬件系統設計極為方便。
　　TMS320C32芯片的引腳MCBL/MP用來選擇工作方式，當該引腳為低電平時，工作于一般的微處理器方式；當該引腳為高電平時，則工作于微計算機方式。具體電路設計中的工作方式選擇是通過一個巧妙的瀉放電路來實現的，避免了使用復雜的邏輯器件，如圖3所示。

2.1.3 核心DSP的中斷設計
　　當TMS320C32工作在MCBL方式時,采用雙矢量方案來響應中斷請求，需在相應的中斷矢量地址存放跳轉指令,而不是直接存放中斷服務程序的地址。對于TMS320C32來說，中斷向量表是可以根據用戶自己的需要重新定位的。其中，中斷-陷阱向量表的表首指針為ITTP(the Interrupt-trap Table Pointer)，由中斷標志寄存器IF的31～16位組成。該指針左移8位(零位移入)即構成中斷-陷阱向量表的表首基地址EA(ITTP)，如圖4所示。

2.1.4 核心DSP的Reset設計
　　TMS320C3X的復位是通過在Reset引腳上置10個H1周期以上的低電平來實現的。通常情況下是加入專用的WatchDog復位電路。但在本系統中，巧妙地設計了復位脈沖發生器，省去了復雜的WatchDog電路，如圖5所示。

　　可以算出RESET信號維持在COMS的低電平VIH＝3.5V的時間約為0.05s＞＞10TH1(TH1=2.5×10^-8s)。這樣的RESET設計即可滿足要求。
2.1.5 核心DSP與D/A" title="D/A">D/A轉換器的設計
　　由于系統要求的尋址定位的精度很高，作為最后一環的D/A轉換器一定要有高精度和高速的特性，否則前面由DSP計算出來的高精度、高速的尋址定位指令碼會在進行D/A轉換時丟失精度，甚至會由于轉換速度不夠而丟失指令，成為系統的瓶頸，影響整個系統的性能。因此選擇了ADI公司的高性能AD669芯片作為D/A轉換器。該轉換器為16位字長，可以實現2光軌精度的變速、定位。而且該轉換器為雙緩存結構，這種特殊的結構可以保證在DSP的控制下，軸、徑向的變速、尋址同時完成，不會發生遲滯。
　　DSP要同時控制氣浮主軸和徑向進給兩方面的輸出，需采用特殊連接方式，如圖6所示。D/A轉換器選通端通過譯碼器(ADDRESS DECODE)與DSP的控制端相連，DSP操縱D/A轉換器需要經過三條指令。DSP先通過第一條譯碼器將轉換數據寫入DA1的一級緩存，再用第二條譯碼器將轉換數據寫入DA2的一級緩存。接著DSP輸出第三條指令，譯碼器給出LDAC高電平，啟動氣浮主軸和徑向進給兩個方面的D/A轉換器同時將數據從一級緩存打入到二級緩存，并開始轉換；同時給出模擬控制量，控制外部的放大器和執行環節工作。

2.2 光柵信號處理
　　專用的運動控制器系統中除了核心的處理單元DSP以及與其相關的ROM和RAM存儲器之外，最為關鍵的就是數字邏輯的通道，主要是光柵信號處理器。
　　光柵信號處理器采用CPLD的MAX7192作為承載器件。MAX7192僅有7ns的固定延遲時間，可以保證光柵和DSP的高速信號的匹配。
　　工作臺定位檢測裝置采用Renishaw公司的增量式圓光柵RGR-A和線光柵RLD10。圓光柵RGR-A用于測量回轉工作臺的轉角，線光柵RLD10用于測量進給工作臺的進給距離。測量光柵的輸出信號經100細分，成為脈沖當量為50nm的RS422標準數字信號。
　　由于光柵的輸出信號是相差90°相位的數字信號，如圖7所示，因此可以對光柵輸出信號進行四倍頻，以提高定位精度，同時完成判向。可以將光柵的四倍頻電路與判向電路設計為一個整體，利用CPLD實現光柵接口電路的芯片化設計，包括光柵信號倍頻、判向及可逆計數器。

　　當正轉時，光柵輸出的A相信號超前B相信號90°，則在一個周期內，AB兩相信號共有四次相對變化：00→10→11→01→00；當反轉時，光柵輸出的A相信號滯后B相信號90°，則在一個周期內，AB兩相信號也有四次相對化：00→01→11→10→00。信號相對變化一次，可逆計數器就實現一次加(減)計數。從而實現了正反轉情況下的四倍頻計數。考慮到誤操作下計數器應不作計數，因而得到光柵信號處理模塊的狀態轉換圖，如圖8所示。

3 專用運動控制卡實物圖
　　將設計的專用運動控制卡用于高密度母盤刻錄機的控制系統中。通過實驗發現，該控制卡能夠較好地滿足母盤刻錄系統的要求，具有較高的精度。運動控制卡的實物圖如圖9所示。