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通用運動控制卡CompactPCI接口的設計
摘要：簡要介紹了基于CompactPCI總線的熱插拔通用運動控制卡的硬件結構，并對CompactPCI總線接口的硬件設計進行了討論，提出了電氣措施和設計要點。近年來，隨著嵌入式系統的快速發展及其對硬件可靠性要求的提高，特別是帶有多個運動控制卡的網絡運動控制系統的發展，對運動控制卡提出了新的要求。運動控制卡應具有帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口。在這樣的運動控制系統中，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施總體的控制和管理；而位置反饋信號的采集、閉環控制的計算及控制量的輸出則均可由以DSP為核心的運動控制卡完成，極大地提高了運算速度和控制響應速度。通過帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口的上下機聯接，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接口總線概述
CompactPCI接口總線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來講具有很多優點：(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環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所不能實現的功能。(4)總線易于擴展，可同時支持多達256個標準的PCI總線設備。(5)CompactPCI背板的連接器插針分為長針、中長針和短針。長針是一些電源針，最短的針是BD-SEL#，其它總線信號和部分電源信號是中長針。連接器插槽J1插孔有長針插孔、中長針和短針插孔，而J2插槽都是中長針插孔。
2 系統的硬件結構概述
開放式四軸DSP運動控制卡經12位DAC驅動四個伺服電機，并通過CompactPCI總線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緩沖區進行通信。
PCI9030是業界首個支持熱交換的PCI目標接口芯片，為CompactPCI接口提供了優秀的解決方案。它采用SMARTarget技術，可以保證高性能的熱交換實施功能，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突發傳輸速度，局部總線操作速度最高可達60MHz，支持5個局部地址空間到PCI總線地址空間的映射(空間0、1、2、3、4以及1個擴展的ROM)，傳輸等待周期及總線寬度可編程。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、彈出開關和表示用戶插入／取出狀態的LED燈實現運動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、開關量輸入和輸出、PLC控制等對實時性要求高的任務，另外還完成程序和數據存儲和上下機的通信任務。
· 模擬量控制電路，將數字量速度信號經四路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行循環計數，可實現編碼器Z相點硬件中斷。
· 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。
· 開關量電路，包括通用8／8 I／O點、4個電機使能輸出、4個軸的左右極限輸入和原點中斷輸入等電路。
· 通訊電路，通過PCI接口從模式使3．3V芯片PCI9030和雙口RAM芯片70V24與PC機的CompactPCI總線相連，可以進行高速數據傳輸。
本系統是一個閉環多軸運動控制硬件系統，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接口的設計要點在于在硬件插拔過程中，不能對CompactPCI總線產生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線上數據傳輸的正確。所以應具有良好的熱電源切換控制電路和相應的總線電路以及便于軟件處理熱插拔過程的控制信號。
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，硬件初始化過程中應點亮藍燈；(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控制卡CompactPCI接口的引腳BD_SEL#相連，當BD_SEL# 信號變高時，使PCI9030輸出引腳成高阻態，保護芯片。PCI9030的ENUM# 信號是送到背板的帶上拉的集電極開路信號；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同時執行相關必要的軟件操作(在板卡安裝時，安裝設備驅動程序；在移出板卡前，卸載設備9B動程序)。板卡的插入／拔出狀態是由CPCISW信號送到PCI9030完成的，這時，PCI9030通過ENUM#信號通知背板主饑硬件配置改變情況，同時主機CPU執行相關必要的軟件操作。當操作結束時，主機CPU通過PCI9030將CPCISW信號寫入HS-CSR寄存器的相應位中，使LEDON# 信號變化，點亮或熄滅藍燈，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(即CPCISW信號)寫入HS_CSR寄存器的相應位中，軟件可以通過這些位來查詢板卡插入／拔出狀態，使軟件可采取各種切換措施，也可以通過向寄存器的相應位寫1來清除該位。
3．
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