本章中將介紹 DSP 運動控制板之製作與功能。在第一節中將對整個實 驗的硬體架構做說明，在第二節中將介紹實現本文控制架構的德州儀器公 司(Texas Instrument)出產之 TMS320F2812 DSP 晶片，第三節為介紹此 DSP 之週邊電路設計。
4-1 實驗系統之硬體架構
近幾年來由於超大型積體電路(VLSI)技術的蓬勃發展，使得數位訊號 處理器(digital signal processor, DSP)的運算速度及週邊處理的功能有大幅 的改善，它更取代了傳統的微處理器(micro processor)的市場，在各種應用 場合如行動通訊、資訊家電與馬達驅動器都被廣泛的使用。因此本論文採 用 TMS320F2812 這顆 DSP 做為控制器，它是德州儀器器公司最新研發出 來專門針對馬達控制而記計的一顆定點 16 與 32 位元並容的運算單晶片，
其執行速度較早期的 TMS320F240 DSP 晶片快 7 倍以上(指令週期為 150MHz)，其有二種針對換流器的六個開關元件所設計的 PWM 輸出通 道，可以經由設定改變換流器每一支臂上下開關的空白時間(dead time)；
也可以外接數位／類比轉換器與光學編碼器的輸入介面做轉矩模式的控 制，使得馬達的控制變得較為簡單易行。以此顆 DSP 當作控制器的核心配 合週邊電路與馬達驅動器(driver)即構成一完整的機台控制器，完整的硬體 架構如圖 4-1 所示，實驗環境如圖 4-2。
圖 4-1 實驗系統之硬體架構
圖 4-2 實驗 CNC 及其週邊控制設備 F2812 DSK board
PRT
PC
Control Algorithm
signals
Data and
Address buses F2812 Peripheral board
D/A converter
Encoder Interface DYNA
MYTE 1007
QEP
Directional Keypad
O.T. release
Emergency Stop
Machine control board
I/O
4-2 TMS320F2812 之功能介紹
應用 DSP 於運動控制，主要就是希望充份利用 DSP 強大的數學運算 功能，而以最少的硬體週邊元件來實現馬達控制所需的所有功能。在此條 件下，能充份了解系統所需實現的功能以及 DSP 軟硬體設計的配合就顯得 格外重要。本文所使用的 TMS320F2812 DSP 晶片是德州儀器公司生 產’C2x 系列 DSP 控制器中目前最高等級的元件，專為馬達控制所設計，
因此它訂了一套單晶片數位式控制的標準。’F2812 可以在一秒鐘執行 15,000 萬個指令(150MIPS)，幾乎所有指令都可以在單一 6.67ns 的時脈週 期內執行完畢，速度是 TI 早期出產之 DSP ’C240 的 7 倍，約為傳統 8051 單晶片之 600 倍左右。與一般處理器比較，微處理器都有一個固定的架構：
廣大的記憶體空間，多樣的定址模式豐富的指令集等。而 DSP 晶片卻有較 少的定址空間，有限的定址模式，少量且特殊的指令集以及特殊的硬體架 構。較舊型的 DSP 大部份是採用分離式的程式記憶體與資料記憶體，甚至 還有 I/O 記憶體，但近年來新的 DSP 卻走向單獨的記憶體空間，裡頭包含 了這三種記憶體，使用起來更為有彈性，也可減少不同記憶體之間般動資 料的指令集。F2812 所採取的硬體架構是以 16 位元與 32 位元共容的資料 處理單元，採用 32 位元的資料、位置匯流排與暫存器，其核心為 32 位元 的算術運算邏輯單元(ALU)與累積器(ACC)，並以硬體方式來實現不同的功 能，如乘法器、位移器，以提升其計算速度。在整數計算方面，為了減少 數值計算所衍生的問題如溢位(overflow)，採用硬體式的位移暫存器來提高 軟體執行的精確度，這些位移暫存器可以配合其他指令一起使用，並不需 要耗費額外的執行時間。為了加快其計算速度，在指令集的設計上也加入 許多巧思，以配合高速信號處理的需求。數位運算中的位時間延遲運算元 (operator)可以單一指令 DMOV 完成，而 MACD 指令則可以同時完成四個 操作：兩個數的相乘、移動資料與前一筆資料累加、載入下一個暫存器。
TMS320 系列 DSP 的乘法器是以硬體方式實現，僅要一個指令週期 (instruction cycle)即可完成乘法運算。此外 TMS320 系列 DSP 以累加器飽 和模式來解決溢位的問題，使數值運算更為穩定。
TMS320F2812 除了有一般數位訊號處理器的快速運算能力外，最重要 的是它還有和一般微處理器和微控制器一樣的強大週邊支援能力，如 UART 序列通訊、控制區域網路(control area network, CAN)、串列週邊介 面(Serial Peripheral Interface, SPI)、多通道緩衝串列埠(multichannel buffered serial port, McBSP)、A/D converter 和一般用途 I/O(general purpose I/O, GPIO)，其架構方塊如圖 4-3 所示。論細說明請看附錄 A。
圖 4-3 TMS320F2812 架構方塊
4-3 TMS320F2812 週邊電路設計
因為 F2812 Ez DSK 板的功能較為陽春(詳細 DSK 板功能請看附錄 B)，週邊電路並不像 EVM 板那樣的完整，若要達到可以控制機台的目標，
則必需外加 D／A 轉換器及光耦合介面電路。但為了往後的應用用途，在 週邊電路設計使其能更完整，因此多增加了 RS-232 通訊介面及 CAN 介面。
■ D/A 轉換器電路製作：
本文所採用之 D／A 轉換器為 Burr-Brown 公司出產專門用於馬達 控制用途之 DAC7625，內部方塊圖如圖 4-4 所示，其主要的特色如下：
● 單極性(unipolar)與雙極性(bipolar)運作模式。
● 穩定時間(settling time)為 10us。
● 12 位元，4 通道。
● 資料讀回(data readback)功能。
● 雙緩衝(double-buffered)資料輸入區。
圖 4-4 DAC7625 內部方塊圖
因為此 DAC 數位端的輸出電壓為 5V，而 DSP 的擴充週邊接腳只允許 3.3V 的電壓輸入，所以在 DAC 和 DSP 之間必須做電壓轉換，在本文中為 使用 74LVTH245 bus transceivers 來完成此工作，它允許 5V 的輸入電壓，
而輸出則轉為 3.3V。
本文中將此 DAC 設計在 DSP 外部擴充介面的 Zone 0，在 DSP 的設計 中，外部週邊 Zone 0 和 Zone 1 是共同使用一個 chip select 訊號，只有在指 令存取此 Zone 0 或 Zone 1 資料時，XZCS0AND1n-訊號才會被拉為 Low。
又因 DAC 俱有 4 個通道，故須 2 條位址線來指示選擇哪一個通道，在本 設計中，Zone 1 並沒有用到，所以可以直接把 DSP 位址訊號 A0 和 A1 直 接拿來當成通道的選擇訊號。其系統接法如圖 4-5 所示。
在 DAC7625 的設計中，其高參考電壓(VREFH)與低參考電壓(VREFL)分 別對應到資料匯流排的 0x3FF 和 0x000。參考電壓的設計如圖 4-6 所示因 為本文主要為控制 CNC 機台，而 DYNA 機台的 Driver 在轉矩模式下其輸 入電壓的範圍為+10V～-10V，因此 DAC7625 的 VREFH 給+2V，VREFL給 -2V，再經由外部 OP 電路放大五倍，即可以得到最大範圍。如圖 4-7 所示。
圖 4-5 DAC7625 設計示意圖
D0~D7
D8~D11
D0~D11
Control signals
TMS320F2812
74LVTH245
DAC7625
2 MAX3223，選用此顆 IC 的原因為此 IC 是 3.3V-compatible，可與 F2812 Ez DSK 板直接溝通，不須電壓轉換，接線如圖 4-8 所示，其主要的特
● ±15KV 之 ESD 保護。
● 符合 TIA/EIA-232-F and ITU v.28 標準。
● 運作電壓可為 3.3V 至 5.5V 之間。
● 最高傳輸率為 250kbit/s。
● 兩組接收器與發射器。
● 1uA 的待運轉(Standby)電流。
● 在 3.3V 的運作電壓下允許 5V 電壓之輸入。
● 需外接 4 個 0.1uF 的電容器。
● 俱有電源管理模組，可設定成 auto-powerdown，當 RS-232 接頭拔 除 時 會 自 動 powerdown ， 當 偵 測 到 正 常 的 傳 輸 訊 號 時 會 自 動 power-on。
● 偵測到異常訊號時，會由 Invalid 接腳發出訊號，使用者即可知道 有錯誤訊號產生。
圖 4-8 RS-232 transceiver MAX3223 接線圖
To DSP SCIRXD To DSP SCITXD 3.3V
■ Encoder 介面製作：
本 文 所 使 用 的 enecoder 介 面 為 德 州 儀 器 (TI) 公 司 所 出 產 之 AM26LV32，主要的功能為將馬達光耦合介面所產生之 RS-422 訊號，
轉換成為 single-end 3.3V 訊號，才能送至 DSP 的接腳，接線如圖 4-9 所示，其主要特色如下：
● 切換率(witching rates)高達 32MHz。
● 3.3V 運作電壓。
● 超低(ultra-low)功率消秏，典型消秏功率為 27mW。
● 開路、短路和終端 Fail-Safe 功能。
● -0.3V to 5.5V 共模範圍。
● 在 3.3V 的運作電壓下容許 5V 邏輯電壓輸入。
● 輸入磁滯電壓典型值為 50mV。
● 4 個 receiver 一起運作在 32MHz 底下只消秏 235mW。
圖 4-9 AM26LV32 RS-422 Receiver 接線圖 X 軸 A,B
相 RS-422 訊號
Y 軸 A,B 相 RS-422 訊號
F2812 DSK
■CAN 介面製作：
在現今的工業界，常常在控制的過程中不容許發生錯誤，然而若需使用 到分散式控制時，目前較受歡迎的即為 CAN bus，典型的 CAN bus 架構如圖 4-10 所示，其最主要的優點仍為可靠。本文 DSP 週邊的設計中亦將此 CAN bus 放在設計中，因 F2812 已經把 CAN 的控制器都 embedded 在晶片裡，所以我 們只要接上 CAN 的 transceiver 即可，使用的為 TI 公司出產之 3.3V CAN transceiver SN65HVD230，接線示意圖如圖4-11 所示，其主要特點如下：
● 3.3V 工作電壓。
● Bus/Pin ESD 保護超過 16KV。
● 高輸入阻抗，容許一條 bus 線有 120 個節點。
● 被控制的驅動器輸出轉換時間，以增加訊號品質。
● 未供給電源的節點不會干擾 bus。
● 相容於 ISO 11898 標準的需求。
● 低等待(standby)模式電流，典型值為 370uA。
● 低睡眠模式(sleep mode)電流，典型值為 40nA。
● 最高傳輸率為 1Mbit/second(Mbps)。
● 過熱自動 shutdown 保護。
● 開路 fail-safe 設計。
● glitch-free 的 power-up 與 power-down 保護，可用於熱插(hot-plugging)應 用。
圖 4-10 典型的 CAN bus 架構
圖 4-11 SN65HVD230 CAN transceiver 與 F2812 間之接線示意圖