關鍵詞：DSP CPLD 母盤刻錄 運動控制卡

隨著電子技術的發展，采用計算機和運動控制卡構成主從式控制系統并由下位機——運動控制卡（MotionController）完成主要數學運算，已經成為當前先進運動控制技術的主流。運動控制卡采用高速數字信號處理器為核心處理器。由于DSP具有獨立的數據存儲器和指令存儲器，使得在控制單元內，數據和指令可并行傳輸，大大提高了數據的處理速度，可以實現各種復雜的控制算法，因而得到了廣泛應用。美國Delta Tau數字系統公司的PMAC運動控制卡和香港固高科技的GT-400運動控制卡分別為國內外商品化運動控制卡的頂尖之作（PMAC功能強大，適合于復雜運動控制）。奧地利B&R工業自動化公司的新一代可編程計算機控制器PCC采用多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期與程序長短無關，而是由操作系統的循環周期決定。由此它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區別開來，滿足了真正實時控制的要求。

高密度母盤刻錄過程中有兩個主運動。一個是母盤的高速回轉運動，另一個是刻錄光學頭相對母盤圓心的直線直線微進給運動。母盤刻錄機的運動控制系統的最主要任務就是通過對兩個主運動的精密控制，使得聚焦光斑以恒定線速度沿著等線距的外展型阿基米德螺旋線軌跡運動。為實現高精度恒線速刻錄，這兩個主運動都必須不斷調速，并且保證極高的精度。刻錄機刻錄時的道間距很小，只有400nm，刻錄過程中要求高速8.75×10 4次，而且主軸電機最高的運行速度為1500RPM。在這樣的較高轉速的情況下要進行如此頻繁的變速，控制的難度很大，傳統的控制方式很難滿足要求。此外，商品化的運動控制卡由于其具有很強的通用性，也無法完全滿足母盤記得錄系統的需要。為此，需要研制用于高密度母盤刻錄系統的專用運動控制卡。

1 專用運動控制卡總體方案

高密度母盤刻錄機的運動控制系統采用工控機和運動控制卡構成的主從式控制系統，并由下位機——運動控制卡完成主要數學運算。工控機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控等方面的工作，運動控制卡完成運動控制的所有細節（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等）。母盤刻錄控制系統的總體結構如圖1所示。

基于DSP的中心處理器的設計是響應速度最快、符合最小化原理、穩定性最高的方案，同時也是最復雜、最難的方案。母盤刻錄機專用運動控制卡的結構如圖2所示。

整個運動控制卡系統包括：DSP單元、DSP外部存儲器單元、DSP-DA輸出控制單元、ISA總線接口單元、雙口RAM構成的ISA消息協議棧單元、系統譯碼單元和光柵信號處理單元。

系統的中心由DSP完成控制和伺服功能；自舉ROM存有DSP數據系統主程序及系統初始化信息；數據RAM用于存儲DSP運行時的數據；CPLD為數據交換邏輯接口，負責控制信號的輸出和光柵信號的輸入與處理（四倍頻、計數等）。該數控系統通過ISA總線接口與工控機連接，完成控制過程中控制指令與狀態參數的傳遞。

2 具體模塊設計

下面具體介紹一下專用運動控制卡的各個模塊的設計。

2．1 核心DSP的設計

高密度母盤刻錄機控制系統的工作是屬于運算密集型的任務，因此采用DSP作為中心處理器是非常好的選擇。由于控制系統要求的精度很高，運算量非常大，而且運算的動態范圍很大，所以定點的DSP無法滿足運算的要求，不但速度跟不上，而且還會產生定標不當的問題，導致運算精度丟失，或是出現溢出錯誤。另外考慮到系統兼容性問題，最終選擇了TI公司的高精度浮點運算處理器TMS320C32作為下位機的中心處理器。它具有可變寬度的存儲器接口、更快速的指令周期時間、可設置優先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導程序裝入方式、可重新定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發中斷方式等。