关键词：DSP CPLD 母盘刻录 运动控制卡

随着电子技术的发展，采用计算机和运动控制卡构成主从式控制系统并由下位机——运动控制卡（MotionController）完成主要数学运算，已经成为当前先进运动控制技术的主流。运动控制卡采用高速数字信号处理器为核心处理器。由于DSP具有独立的数据存储器和指令存储器，使得在控制单元内，数据和指令可并行传输，大大提高了数据的处理速度，可以实现各种复杂的控制算法，因而得到了广泛应用。美国Delta Tau数字系统公司的PMAC运动控制卡和香港固高科技的GT-400运动控制卡分别为国内外商品化运动控制卡的顶尖之作（PMAC功能强大，适合于复杂运动控制）。奥地利B&R工业自动化公司的新一代可编程计算机控制器PCC采用多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求。

高密度母盘刻录过程中有两个主运动。一个是母盘的高速回转运动，另一个是刻录光学头相对母盘圆心的直线直线微进给运动。母盘刻录机的运动控制系统的最主要任务就是通过对两个主运动的精密控制，使得聚焦光斑以恒定线速度沿着等线距的外展型阿基米德螺旋线轨迹运动。为实现高精度恒线速刻录，这两个主运动都必须不断调速，并且保证极高的精度。刻录机刻录时的道间距很小，只有400nm，刻录过程中要求高速8.75×10 4次，而且主轴电机最高的运行速度为1500RPM。在这样的较高转速的情况下要进行如此频繁的变速，控制的难度很大，传统的控制方式很难满足要求。此外，商品化的运动控制卡由于其具有很强的通用性，也无法完全满足母盘记得录系统的需要。为此，需要研制用于高密度母盘刻录系统的专用运动控制卡。

1 专用运动控制卡总体方案

高密度母盘刻录机的运动控制系统采用工控机和运动控制卡构成的主从式控制系统，并由下位机——运动控制卡完成主要数学运算。工控机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作，运动控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等）。母盘刻录控制系统的总体结构如图1所示。

基于DSP的中心处理器的设计是响应速度最快、符合最小化原理、稳定性最高的方案，同时也是最复杂、最难的方案。母盘刻录机专用运动控制卡的结构如图2所示。

整个运动控制卡系统包括：DSP单元、DSP外部存储器单元、DSP-DA输出控制单元、ISA总线接口单元、双口RAM构成的ISA消息协议栈单元、系统译码单元和光栅信号处理单元。

系统的中心由DSP完成控制和伺服功能；自举ROM存有DSP数据系统主程序及系统初始化信息；数据RAM用于存储DSP运行时的数据；CPLD为数据交换逻辑接口，负责控制信号的输出和光栅信号的输入与处理（四倍频、计数等）。该数控系统通过ISA总线接口与工控机连接，完成控制过程中控制指令与状态参数的传递。

2 具体模块设计

下面具体介绍一下专用运动控制卡的各个模块的设计。

2．1 核心DSP的设计

高密度母盘刻录机控制系统的工作是属于运算密集型的任务，因此采用DSP作为中心处理器是非常好的选择。由于控制系统要求的精度很高，运算量非常大，而且运算的动态范围很大，所以定点的DSP无法满足运算的要求，不但速度跟不上，而且还会产生定标不当的问题，导致运算精度丢失，或是出现溢出错误。另外考虑到系统兼容性问题，最终选择了TI公司的高精度浮点运算处理器TMS320C32作为下位机的中心处理器。它具有可变宽度的存储器接口、更快速的指令周期时间、可设置优先级的双通道DMA处理器、灵活的引导程序装入方式、可重新定位的中断向量表以及可选的边缘/电平触发中断方式等。