摘要：本文以DSP和FPGA为核心处理器，采用PXI总线技术，进行了嵌入式伺服控制系统的设计，并给出DSP伺服控制软件的设计及DSP程序在线加载的方法。
关键词：DSP FPGA PXI总线 伺服控制系统
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)09-0042-02
1、引言
随着光电探测技术和新型武器装备的飞速发展，靶场对光电测控设备提出了越来越高的要求，大数据量数据存储与传输、多数据源的数据融合技术正逐步被应用于新型光电经纬仪的设计当中，所以要求光电跟踪伺服系统具有快速稳定的跟踪能力和较强的数据处理能力。为此，本文以DSP和FPGA为核心处理器，采用PXI总线技术，进行了嵌入式伺服控制系统的设计，并给出了基于PXI总线的程序在线更新方法。
2、基于PXI总线的伺服控制器的硬件设计
本文设计的伺服控制系统是由高性能的TMS320F2812处理器和FPGA构成的先进的全数字化伺服控制处理平台。其硬件结构如框图如1所示。
2.1 DSP+FPGA控制模块的设计
核心控制器采用TMS320F2812，它的CPU运行速率可以达到150MIPS，数据总线为32位，内部集成乘法累加器，指令采用流水线处理，使得处理数据的能力大大增强；同时在片内还集成了128KB×16位的Flash存储器和18KB×16位的SARAM存储器；另外具有主机接口引导模式、并行引导模式(8bit／16bit)、标准串口引导模式(8bit／16bit)等多种程序加载方式，能够进行远程的程序更新。
FPGA用于辅助DSP对外围设备的逻辑控制，采用Altera公司FLEX10K系列FPGA中的EPF10K30A，具有12060个逻辑单元(LE)和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM。FPGA采用模块化的设计思想，内部设计结构图如图2所示，主要完成的功能有以下三个部分：
(1)产生PWM调宽波信号；
(2)实现DSP与串行通讯芯片、A/D芯片的接口逻辑；
(3)内嵌双口RAM，实现PXI总线接口芯片的本地仲裁。
串行通讯芯片采用ST16C654，其具有64字节输入输出FIFO，它由四个增强的16C650异步通信单元加驱动逻辑组成，从而构成四个通道的串行通讯，而且相互独立，每个通道的最高通讯速率可以达到1Mbps。串行通讯芯片主要完成DSP与外部系统进行串行数据通讯。
单杆模拟数据采集接口采用AD7864芯片实现A/D转换功能，并用FPGA实现对AD7864芯片的控制以及DSP的逻辑接口功能，AD7864主要特性有:(1)4通道单端输入，12位分辨率；(2)输入模拟量电压范围±10V，±5V可选；(3)可达1.65μs转换速度。
A/D转换主要完成的功能是采集单杆方位和俯仰传感器的模拟电压输出量，并转换为12位数字量送给DSP。
PXI接口芯片采用PLX公司的PCI9054，其工作于从模式，通过PXI总线与工控机数据交换。工控机接收到多个电视脱靶量后，进行融合预处理，并将预处理的结果通过PXI总线送给DSP控制卡进行位置和速度回路校正运算。
DSP伺服控制卡3D图如图3所示。
2.2 PXI总线接口设计
PXI总线是PCI总线的扩展，符合PCI的总线的电气特性，同时PXI总线增加了VXI的局部总线和触发总线等，所以在设计PXI硬件接口电路时应该考虑PCI总线和PXI的局部总线以及触发总线接口设计原则。
2.2.1 PCI接口设计
在本文的设计PCI接口电路时，采用专用PCI接口芯片9054来进行接口设计。在对PCI接口进行硬件设计时应注意以下几个问题：(1)为了防止DSP伺服控制卡对PXI背板的影响，在从PCI9054的信号线和PXI连接器之间，应该连接10欧姆终端匹配电阻，以满足PXI接口的电气性能要求；(2)PCI9054的本地端信号线必须进行上下拉处理；(3)在设计电路时，应将PCI9054的V(I/O)与电源针脚+3.3V连接。
2.2.2 PXI的局部总线的设计
PXI系统中各个板卡之间的通信是通过触发总线和局部总线实现的，设计时，将触发总线和局部总线都引入到FPGA中，在硬件连接时，要在PXI的J2的接口处连接一个10欧姆的匹配电阻。这种设计方法充分利用了FPGA的可编程特性，只需要改动相应的软件，就可以满足不同功能的要求。
3、系统DSP软件的设计
在本伺服系统的设计方案中，DSP软件程序分为两种。分别是DSP的伺服控制软件和引导装载程序，DSP的伺服控制程序主要完成光电经纬仪的伺服跟踪，是伺服控制系统需运行时真正执行的部分，而引导装载程序的主要作用是当伺服控制卡需要更新程序时，完成接收上位机传送新程序的代码并将此新程序的代码烧制到FLASH的功能。
3.1 DSP的伺服控制软件的设计
DSP控制卡的软件开发环境采用TI公司的CCS，C语言编程，DSP程序接收编码器数据、电视脱靶量及跟踪状态，完成状态的切换、捕获算法和位置回路，速度回路的计算。DSP控制卡软件流程如图4所示。
3.2 引导装载程序
本伺服控制系统的引导装载程序的过程是：上位机通过PXI总线将伺服控制程序的代码存到伺服控制板上TMS320F2812内部RAM中,再通过内嵌到主程序的程序加载模块自动完成内部FLASH的程序代码的更新,当伺服控制卡重新启动后，更新后的用户程序便可在FLASH中自动运行，这样就实现了伺服控制程序的装载。
烧写过程包括如下步骤：(1)编写一个用于程序下载的、运行于上位机的程序代码传输程序，与伺服控制卡进行数据通讯，完成将程序代码传输到伺服控制卡的RAM中；(2)编写伺服控制系统主程序，主程序包含一个子程序，用于响应用户下载命令，把要运行的程序的二进制代码覆盖原有的代码，并将程序编译，利用仿真器将伺服控制系统主程序下载到伺服控制卡中，此时的伺服控制卡具有了在线下载程序的功能；(3)当要更新伺服控制卡程序时，运行上位机程序，上电启动伺服控制卡，与上位机建立通讯，完成代码的程序代码的传输和更新。(4)重新上电后，更新的程序就可在FLASH中运行，完成了程序的远程下载更新功能。
4、结语
基于PXI总线的伺服控制系统的硬件电路已经调试完成，并在多台光电经纬仪的中得到应用，满足了伺服控制系统与主控计算机的快速的、准确的交换数据的需求，并实现了在线下载程序的功能，提高了系统的可维修性。
参考文献
[1]孟令震.基于PCI接口的数据通信卡研究.长春光机所硕士论文,2005.
[2]徐科军,张瀚.TMS320X281X DSP原理与应用.北京航空航天大学出版社,2006.08.
[3]T1.TMS320F28x DSP Boot ROM Reference Guide.2002.05.
[4]TI.TMX320F281x Flash API.2003.10.
作者简介
蔡立华（1980-）,男,工学博士,内蒙古通辽人,主要从事伺服控制系统的研究。