Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt eine dedizierte Hardwareplattform für Bewegungssteuerungen vor, die sich für Systeme mit mehreren Eingängen und Ausgängen (MIMO) eignet. Die Plattform ermöglicht die Erfassung von Multisensorsignalen, die Informationsfusion, Positionsregelungsalgorithmen, Netzwerkfunktionen und die Ausgabe mehrerer Signale an das Antriebssystem, wodurch eine Informations-/Energieumwandlung erreicht wird. 1 Einleitung Mit der rasanten Entwicklung eingebetteter Technologien hat sich deren Einsatz in der industriellen Steuerung weit verbreitet. Daher ist die Kombination eingebetteter Technologien mit Bewegungssteuerungstechnologien zur Entwicklung eines schnellen und hochpräzisen eingebetteten Bewegungscontrollers von großer Bedeutung. Dieser Artikel beschreibt eine dedizierte Hardwareplattform für Bewegungssteuerungen in MIMO-Systemen, die den TMS320VC5402 als Kernprozessor verwendet. Die Plattform ermöglicht die Erfassung von Multisensorsignalen, die Informationsfusion, Positionsregelungsalgorithmen, Netzwerkfunktionen und die Ausgabe mehrerer Signale an das Antriebssystem, wodurch eine Informations-/Energieumwandlung erreicht wird. 2 Hardware-Design der Bewegungssteuerungsplattform 2.1 Hardwarestruktur des Bewegungssteuerungssystems Basierend auf den Schnittstellenanforderungen der Bewegungssteuerung ist das System in zwei Teile unterteilt: die Hauptschaltung und die Peripheriegeräte. Die Hauptschaltung besteht aus digitalen Schaltungen, die auf dem TI TMS320VC5402 Prozessorchip basieren; Die Peripheriegeräte bestehen aus den entsprechenden Schnittstellenschaltungen. Je nach Funktion lassen sie sich in folgende Module unterteilen: DSP-Minimalsystem, Netzwerkkartenschnittstelle, PCI-Schnittstelle, serieller Transceiver, Schnittstellen für analoge, Impuls- und Schaltsignale sowie Mensch-Maschine-Schnittstelle. 2.2 Beschreibung der einzelnen Funktionsmodule des Hardwaresystems 2.2.1 DSP- Minimalsystem-Schnittstellenschaltung Das sogenannte Minimalsystem ist das einfachste System, das den ordnungsgemäßen Betrieb des DSP mit möglichst wenigen externen Komponenten und Schaltungen ermöglicht. Dieses System verwendet den 16-Bit-Festkomma-DSP TMS320VC5402 als Kernbaustein, der den Steuerkern des gesamten Systems bildet. Da der ausgewählte TMS320VC5402 über einen On-Chip-Speicher für Daten und Programmspeicher verfügt, besteht das minimale System aus dem DSP selbst, einem Quarzoszillator, einer Reset-Schaltung, einer Dekodierungsschaltung usw. 2.2.2 Design der Ethernet-Kommunikationsschnittstelle: Eine der wichtigsten Funktionen des auf dem eingebetteten System basierenden Bewegungscontrollers ist die Netzwerkübertragung. Daher wird ein Netzwerkschnittstellenchip benötigt, um die Kommunikation zwischen Netzwerken zu realisieren. In diesem System wird der REALTEK RTL8019AS Netzwerkschnittstellenchip verwendet. Die Pinbelegung des RTL8019AS umfasst Stromversorgungs- und Taktanschlüsse, Netzwerkschnittstellenanschlüsse, Bootstrap-ROM- und Initialisierungs-EEPROM-Schnittstellenanschlüsse, Hauptprozessorschnittstellenanschlüsse sowie Ausgabeindikatoren und Betriebsmoduskonfigurationsanschlüsse. Daher gliedert sich das Design der Hardware-Schnittstellenschaltung der Netzwerkkarte in zwei Hauptteile: die Implementierung der Netzwerkkarte und der DSP-Schnittstelle sowie das Design der Peripherieschaltungen des Netzwerkkartenchips. Die Busschnittstelle des RTL8019AS ist mit dem ISA-Bus kompatibel. Obwohl keine direkte Verbindung zum externen Bus des 5402 möglich ist, genügen einige einfache Logiktransformationen. Da die Pin-Pegel des 5402 und des RTL8019AS inkompatibel sind, können die entsprechenden Pins nicht direkt verbunden werden. Ein Pegelwandler-Chip ist erforderlich. Der CPLD im System übernimmt die Pegelwandlung und generiert zudem Steuersignale für den RTL8019AS. 2.2.3 PCI -Schnittstellendesign Aufgrund der hohen Anforderungen an Datenübertragungsgeschwindigkeit und Echtzeitfähigkeit des Systems wird unter anderem die Kommunikation mit dem Host über den lokalen PCI-Bus realisiert. Diese Methode bietet gegenüber der herkömmlichen ISA-Bus-Kommunikation Vorteile hinsichtlich höherer Geschwindigkeit, Plug-and-Play-Fähigkeit und guter Portabilität. In diesem System wird der dedizierte PCI2040-Chip von TI verwendet, um den PCI-Bus mit der HPI-Schnittstelle (Host Port Interface) des DSP5402 zu verbinden. Abbildung 1: Hardware-Blockdiagramm des Motion-Controllers; Abbildung 2: Schaltplan der AD-Wandlerschnittstelle; Abbildung 3: Schaltplan der DA-Wandlerschnittstelle . 2.2.4 RS-422A -Schnittstellendesign. RS422A ist ein Standard für symmetrische Übertragung und ermöglicht sowohl das Senden als auch das Empfangen an beiden Enden. Sender und Empfänger nutzen symmetrische Übertragung bzw. differentiellen Empfang. Bei der symmetrischen Übertragung werden Logikpegel in Potenzialdifferenzen umgewandelt, um die initiale Informationsübertragung zu realisieren; beim Empfang werden die Potenzialdifferenzen wieder in Logikpegel umgewandelt, um die Informationen am Endgerät zu empfangen. RS422A verwendet zudem eine Zweidrahtübertragung, was die Störfestigkeit deutlich verbessert. Die maximale Übertragungsrate beträgt 10 Mbit/s (bei einer Übertragungsdistanz von 15 m). Bei einer reduzierten Übertragungsrate von 90 kbit/s beträgt die maximale Übertragungsdistanz 1200 m, womit die Anforderungen an die Reichweite des Systems voll erfüllt werden. Bei der Auswahl des RS422-Kommunikationsschnittstellenchips muss berücksichtigt werden, ob die Übertragungsrate des Chips den Anforderungen entspricht. In diesem Design wird der MAXIM MAX3291-Chip verwendet. Der MAX3291 ist ein Vollduplex-RS422-Kommunikationsschnittstellenchip mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit, Ausgangskurzschlussschutz und Empfängerausfallschutz. Er erhöht die zuverlässige Kommunikationsreichweite und -geschwindigkeit durch die Reduzierung interner Signalstörungen aufgrund langer Leitungen und erreicht Übertragungsgeschwindigkeiten von 5–10 Mbit/s. Bis zu 128 identische RS422-Kommunikationsschnittstellenchips können an denselben Bus angeschlossen werden, was die Kommunikation zwischen mehreren Geräten vereinfacht. 2.2.6 Implementierung der D/A -Wandlungsschnittstelle: Als D/A-Wandlerchip wird der TI DAC7625UB verwendet. Die Hardware-Schnittstellenschaltung zwischen dem DAC7625UB und dem DSP ist in Abbildung 3 dargestellt. Im Diagramm bezeichnen VrefH und VrefL die Referenzspannungen für die DA-Wandlung (High und Low). Der analoge Ausgang variiert zwischen diesen beiden Werten. CSDAC ist das Strobe-Signal (aktiv Low). R/W ist das Lese-/Schreibsignal; ein High-Pegel signalisiert einen Lesebefehl an den DA-Wandler, ein Low-Pegel einen Schreibbefehl. DA1-DA3 repräsentieren die 4-Kanal-Analogausgangsschnittstelle, die den Abschluss der AD-Wandlung signalisiert. RST dient als DA-Reset-Signal; bei aktivem Reset befindet sich der DA im Ausgangszustand. LDAC ist das Aktivierungssignal des Prozessors zum Laden des DA. Diese Steuer- und Statussignale des DA sind mit den I/Os des CPLD verbunden, und die Schnittstelle zwischen Prozessor und DA kann durch Programmierung des CPLD realisiert werden. 2.2.7 Schalter- und Impulsschnittstelle Das System bietet 7 standardmäßige TTL-Pegel-Impuls-Ein-/Ausgangsschnittstellen. Dazu gehören zwei Impulskanäle mit einer fallenden Flanke alle 20 Sekunden; zwei Kanäle mit Perioden von 20 ms bzw. 5 ms, die eine 3-V-5-V-Differenzimpulsbreite von 10 µs-20 µs und eine Impulsanstiegszeit von maximal 0,5 µs verwenden; sowie drei Signalkanäle mit einer Periode von 1 ms, die ebenfalls eine 3-V-5-V-Differenzimpulsbreite von 10 µs-20 µs verwenden. Es müssen außerdem 14 Kanäle mit +24 V DC und 4 Kanäle mit +27 V DC-Schaltsignalen verarbeitet werden. Diese Funktionalität lässt sich mit einem CPLD realisieren, wodurch das System skalierbar wird. Da die Spannungspegel der Impuls- und Schaltschnittstellen von den Systempegeln abweichen, sind eine Impulssignalisolation und -wandlung erforderlich. Die Hauptkomponenten sind Optokoppler und Operationsverstärker. Die Schaltung zur Impulssignalisolation und -wandlung dient der Messung von Impulsperiode und -frequenz. Das Impulssignal wird vor der Übertragung an den CPLD mittels eines Hochgeschwindigkeits-Optokopplers (6N137) elektrisch isoliert, um Störungen zu minimieren. Die Messung von Impulsperiode und -frequenz erfolgt durch die Implementierung der entsprechenden Hardwarebeschreibungssprache. 3. Experimentelle Ergebnisse und Schlussfolgerungen Nach Abschluss des Hardware-Designs des Bewegungscontrollers wurde die Entwicklung mit der integrierten Entwicklungsumgebung (CCS) von TI durchgeführt. Simulation und Debugging erfolgten auf dem Entwicklungsboard mithilfe eines Simulators; das System läuft derzeit offline. Erste Experimente zeigen, dass die Plattform analoge, Impuls- und digitale Mehrkanal-Ein-/Ausgänge ermöglicht und mit anderen Hosts im Netzwerk kommunizieren kann. Dank der hohen Rechenleistung des TMS320VC5402 lassen sich Datenfusionen aus mehreren Sensoren und entsprechende Positionsregelungsalgorithmen problemlos implementieren.