目前國內(nèi)數(shù)控機(jī)床中的伺服電機(jī)一般都是配套增量式編碼器,，而增量式編碼器的精度并不太高且輸出的是并行信號(hào),，欲提高其精度就必然要增大編碼器的設(shè)計(jì)難度和增多并行信號(hào)的輸出，這樣就不利于伺服單元與編碼器的長距離通信,，而采用絕對(duì)式編碼器,，除了其精度比增量式編碼器高幾倍以外，其信號(hào)的輸入輸出都采用高速串行通信,，節(jié)省了通信線路便于長距離的通信，在編碼器的另一端,，采用CPLD與絕對(duì)式編碼器進(jìn)行高速串行通信,，CPLD再把收到的編碼器信息轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)傳送給伺服單元中的DSP進(jìn)行運(yùn)算控制，本文將給出CPLD與絕對(duì)式編碼器高速串行通信的軟硬件設(shè)計(jì)方案,。
硬件設(shè)計(jì)
硬件主要由電源,、CPLD及其外圍電路和絕對(duì)式編碼器接口電路三個(gè)模塊組成。
電源模塊
電源模塊由開關(guān)電源電路和DC/DC電源芯片組成,，如圖1所示,。
圖中的開關(guān)電源將220V交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變成+5V，+15V,，-15V,，開關(guān)電源可濾除電網(wǎng)中存在的各種干擾，并且開關(guān)電源中的變壓器將220V AC與輸出的+5V,，+15V,，-15V隔離開，內(nèi)部電路還采用了TL431調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通脈沖寬度,，因此開關(guān)電源的抗干擾,、安全性、穩(wěn)定性及穩(wěn)壓程度都比較好,，TPS7333是DC/DC芯片,，它將+5V的直流電壓轉(zhuǎn)變成+3.3V的穩(wěn)定直流電壓供給CPLD使用，TPS7333轉(zhuǎn)換效率,、可靠性和穩(wěn)壓性都比較好,，它在輸入電壓為+3.77V-+10V的電壓范圍內(nèi)都能轉(zhuǎn)換出+3.3V，使CPLD不受輸入電壓過高導(dǎo)致其燒壞,。
CPLD及其外圍電路模塊
CPLD及其外圍電路模塊主要由CPLD,、CPLD編程下載接口電路（JTAG接口），DSP接口電路,、有源晶振,、電平轉(zhuǎn)換電路和ADM485及其外圍電路（負(fù)責(zé)與編碼器通信的接口電路）組成（圖2）。
本設(shè)計(jì)CPLD采用Altera公司的EPM570T144C5，此芯片屬于Altera公司的MAX II,，MAX II相對(duì)MAX I成本更加低,，功耗更加小，而器件的宏單元數(shù)更加多,，且器件延時(shí)控制在6ns以內(nèi),，具有很高的性價(jià)比，EPM570T144C5有570個(gè)宏單元數(shù),，芯片的引腳數(shù)目為144個(gè),，其中可用的I/O口有116個(gè)，因此此芯片的資源已經(jīng)足夠用,。CPLD主要負(fù)責(zé)與絕對(duì)式編碼器的高速串行通信,，并受控于DSP的命令把接收到編碼器數(shù)據(jù)和其他信息并行的轉(zhuǎn)送給DSP。
JTAG接口主要用于下載可執(zhí)行文件到CPLD,，在PC機(jī)安裝Altera公司的開發(fā)環(huán)境-QUARTUS II,，并在此開發(fā)環(huán)境中將編寫好的VHDL程序進(jìn)行編譯，保證編譯不出錯(cuò)并且保證功能已實(shí)現(xiàn)后,，連接好下載電纜到JTAG接口,，通過QUARTUS II提供的編程下載工具，對(duì)CPLD電路板進(jìn)行下載,。
DSP接口就是由8根數(shù)據(jù)線,，3根地址線和1根控制線組成的，8根數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送編碼器數(shù)據(jù)及其其他信息,，3根地址線負(fù)責(zé)傳送DSP命令,，在CPLD終端進(jìn)行譯碼，CPLD根據(jù)譯碼得出的命令將編碼器數(shù)據(jù)或其他信息通過8根數(shù)據(jù)線傳送到DSP,，控制線主要是完成CPLD與DSP同步控制,。
20M有源晶振主要是為CPLD提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,，供CPLD產(chǎn)生2.5Mb/s的波特率與編碼器進(jìn)行通信,，和產(chǎn)生10M赫茲時(shí)鐘供一些邏輯控制信號(hào)使用，此晶振提供20M赫茲的時(shí)鐘頻率,，需要電源提供3.3V的直流電壓,。
電平轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)將3.3V電壓轉(zhuǎn)換成5V或?qū)?V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V，因?yàn)镃PLD的核和I/O口需要的供電電壓都是3.3V,，而ADM485和絕對(duì)式編碼器所需的供電電壓和I/O口驅(qū)動(dòng)電路都為5V,，所以需要用電平轉(zhuǎn)換芯片LVC4245A將3.3V轉(zhuǎn)換成5V電壓或?qū)?V轉(zhuǎn)換成3.3V。
ADM485及其外圍電路是CPLD與絕對(duì)式編碼器高速通信的硬件銜接,。ADM485工作電壓為5V,，其最大通信速率為5Mb/s,，采用2個(gè)ADM485芯片進(jìn)行對(duì)接通信可提高通信線路上的抗干擾能力，最長的傳輸距離可達(dá)1.2km,。其外圍電路如圖3所示,，虛線的右半部屬于絕對(duì)式編碼器的外圍電路，上拉和下拉電阻都是1K歐姆,，限流電阻則是220歐姆,，ADM485的SDAT是數(shù)據(jù)輸出引腳，ADM485是SRQ是數(shù)據(jù)輸入引腳,，ADM485的DE是外部控制引腳,，該腳受CPLD控制，由于RS-485通信協(xié)議屬于半雙工,，所以ADM485只能處在發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)的狀態(tài),，當(dāng)ADM485得DE為高電平時(shí)，ADM485處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)（即CPLD接收數(shù)據(jù)）,，當(dāng)ADM485的DE為低電平時(shí)，ADM485處于數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)（即CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)）,。
絕對(duì)式編碼器接口模塊
絕對(duì)式編碼器接口模塊是指絕對(duì)式編碼器內(nèi)部的電源及信號(hào)輸入輸出接口電路,，其電路與上述的ADM485及其外圍電路是一致的，同樣是采用ADM485芯片及一些上拉,、下拉及限流電阻,，如圖3所示，虛線的左半部就是絕對(duì)式編碼器內(nèi)部接口電路,，它負(fù)責(zé)與外部ADM485（虛線的右半部）銜接,，ADM485受編碼器內(nèi)部的控制芯片所控制，當(dāng)編碼器受到CPLD發(fā)來的命令之后,，控制芯片做出判斷后發(fā)送出相應(yīng)的數(shù)據(jù),，同時(shí)控制ADM485的DE為高電平，即使ADM485處于發(fā)送狀態(tài),，當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)之后,，控制芯片又使ADM485的DE處于低電平狀態(tài)，便于隨時(shí)接收CPLD發(fā)來的命令,。
軟件設(shè)計(jì)
軟件是指CPLD的VHDL程序,，其主要由分頻器、接收DSP控制命令,、CPLD邏輯控制,、波特率發(fā)生器、接收及發(fā)送數(shù)據(jù)和串并轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)六個(gè)軟件子模塊組成（圖4）,。
- 分頻器模塊
分頻器模塊主要是把20M赫茲的輸入時(shí)鐘頻率分頻為10M赫茲和2.5M赫茲的時(shí)鐘頻率,，其中10M赫茲時(shí)鐘主要是供給CPLD邏輯控制模塊工作,，2.5M赫茲時(shí)鐘主要是供給波特率發(fā)生器模塊工作。
- 接收DSP控制命令模塊
接收DSP控制命令模塊實(shí)際上是實(shí)時(shí)的采集DSP發(fā)來的控制信號(hào)并及時(shí)的將控制信號(hào)進(jìn)行譯碼,，譯碼完成后立即轉(zhuǎn)送給CPLD邏輯控制模塊,。
- CPLD邏輯控制模塊
CPLD邏輯控制模塊是整個(gè)CPLD軟件的核心，其接收到譯碼數(shù)據(jù)后,，立即作出邏輯控制運(yùn)算,，并快速的控制接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊和控制串行轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。
- 波特率發(fā)生器模塊
波特率發(fā)生器模塊主要是為接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊提供2.5Mb/s波特率,。
- 接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊
接收及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊是整個(gè)CPLD軟件的重要組成部分,，其主要負(fù)責(zé)與絕對(duì)式編碼器高速通信，由于其通信方式是異步串行通信方式,，因此其波特率,、通信的數(shù)據(jù)格式及RS-485通信協(xié)議都要與絕對(duì)式編碼器相同。
- 串并轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊
串并轉(zhuǎn)換及發(fā)送數(shù)據(jù)模塊主要是將接收到的編碼器串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),，并將數(shù)據(jù)鎖存在CPLD鎖存器內(nèi),，當(dāng)CPLD邏輯控制模塊控制其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就將鎖存在CPLD鎖存器內(nèi)的數(shù)據(jù)以并行的方式放送給DSP,，供DSP進(jìn)行運(yùn)算控制用,。
結(jié)語
本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了硬件及軟件的全部設(shè)計(jì)，讀取帶有絕對(duì)式編碼器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的任何一個(gè)位置數(shù)據(jù)只需31μs,，通信速率可達(dá)2.5Mb/s,，將本設(shè)計(jì)集成在伺服驅(qū)動(dòng)單元中，驅(qū)動(dòng)和控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)可達(dá)6000轉(zhuǎn)/分,，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置精度可達(dá)μM級(jí),。