摘 要： 闡述了一種基于SOPC的步進電機" title="步進電機">步進電機多軸控制器。該控制器應用于半自動生化分析儀中，以實現取樣針移位系統的控制功能，同時它也能夠用于其他類似如多軸聯動的針式打印機及機器人等領域的多步進電機工作的場合。
關鍵詞： 可編程片上系統 多軸控制器 步進電機 生化儀
步進電機是一種完全數字化的電動執行機構，從原理上說，其角位移與驅動脈沖的個數成正比，在正常情況下，步進電機具有使用簡單、運動精確、連續運行無累積誤差等特點，因而被廣泛應用于各種位置控制系統中。當前由于儀器內部的機械系統日益復雜，其運動往往是多自由度的，因而通常需要利用多個步進電機的運動合成來實現系統的各種動作。例如,對圖1所示的半自動生化分析儀的取樣針移位系統，該系統的動作執行就是由兩部分組成的：一是固定基座上的步進電機控制" title="步進電機控制">步進電機控制取樣橫臂進行垂直方向上的升降運動；二是滑塊上的步進電機控制取樣橫臂進行水平方向上的旋轉運動。這兩個運動的合成實現了取樣橫臂的位置變換。
傳統的步進電機多軸控制器是以微控制器(MCU)/微處理器(MPU)/專用集成電路(ASIC)/數字信號處理器(DSP)為核心，再輔以其他外圍分立器件構成的。這種結構的步進電機多軸控制器的優點在于其硬件結構清晰，易于復制再現，對于類似的應用只需要修改其應用軟件即可。然而對于多數實際應用來說，單純依靠軟件的修改通常不足以使其達到其他應用場合所需的要求，并且當系統升級時，通常需要對整個電路重新進行設計，這樣既延長了升級的周期，又增加了升級成本，因而在實際應用中受到了一定的限制。由于可編程邏輯器件(PLD)技術的飛速發展，使得單一FPGA/CPLD" title="FPGA/CPLD">FPGA/CPLD芯片內部可以集成多個分立元件的功能，因此在對傳統控制器的改進中，通常使用一個FPGA/CPLD芯片將傳統控制器中的數字電路" title="數字電路">數字電路部分集成到一起，從而形成具有處理器-FPGA/CPLD-模擬電路結構形式的控制器。這類控制器比起傳統控制器而言，其硬件結構的可擴展性得到了很大的提高。這是因為FPGA/CPLD芯片具有在不改變其引腳定義的情況下可對其內部邏輯關系進行重構的特性，因而對于不同的應用，可以通過改變FPGA/CPLD芯片的內部結構來滿足某些特殊的應用需求，從而在一定程度上使得系統的開發升級更為簡便，而且成本也更為低廉。因此，這種改進型的多步進電機控制器的應用范圍也得到了很大的擴展。但是，這種結構的控制器也存在著這樣的問題：在FPGA外部仍然存在一個處理器。這樣不僅增加了控制器的尺寸，而且在升級處理器時，硬件電路需要重新設計，使升級成本仍然相對較高。
近年來，由于IP資源復用理念得到了普遍的認同并成為主要設計方式，MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP成為了FPGA應用的核心。隨著處理器內核以IP的形式嵌入到FPGA中，未來的電路板上可能只有兩部分電路：模擬部分(包括電源)以及FPGA芯片和一些大容量存儲器。這一切都表明可編程片上系統(SOPC)正在成為FPGA最重要的發展方向。與傳統多軸控制器相比，這種基于SOPC的步進電機多軸控制器具有體積小、集成度高、硬件結構穩定、易于開發升級且成本低廉等特點，尤其適用于儀器儀表內部控制系統的設計。本文所論述的步進電機多軸控制器就是基于SOPC方式的步進電機多軸控制器。
1 基于SOPC的步進電機多軸控制器的硬件結構
基于SOPC的步進電機多軸控制器的結構框圖如圖2所示。其外部電路的構成包含模擬電路和數字電路兩部分。模擬電路包括供電電源及功率驅動。數字電路主要為FPGA芯片及其相關電路。
如圖2，基于SOPC的步進電機多軸控制器包含兩部分：FPGA芯片及其配置芯片的數字部分和電機控制及位置反饋部分。其中，虛線框內部表示FPGA芯片的內部結構，空心箭頭表示FPGA芯片內部的數據連線，實心箭頭表示外部連線。FPGA芯片內部由MPU模塊、通訊模塊、RAM模塊、ROM模塊、計數器模塊、電機控制模塊" title="控制模塊">控制模塊等構成。當控制器失電時，這些模塊信息存儲在配置芯片中，等到系統重新上電時，FPGA芯片再從配置芯片中讀取其配置信息，重構內部模塊結構。MPU模塊是整個控制器的核心，它的功能等同于事實的微處理器。它通過通訊模塊與外部主機進行數據的交換，并將數據存儲在RAM模塊中。RAM模塊同時還用于暫存MPU模塊執行ROM模塊所存儲的程序段時的某些中間過程值，而MPU則根據ROM模塊中程序執行的結果輸出相應的控制信號給電機控制模塊。電機控制模塊的輸出連接到實際的芯片引腳上，以驅動相應的功率驅動電路工作，從而實現步進電機的運轉。在閉環控制時，步進電機軸端的編碼器模塊輸出編碼信號。該信號經編碼器反饋電路進行隔離等處理之后，由FPGA芯片內部的計數器模塊進行計數，并將結果傳輸給MPU模塊進行處理，從而形成位置/速度的閉環控制。圖2只表示了單個步進電機閉環控制的結構框圖，對于多軸步進電機而言，FPGA芯片只需要增加相應的功率驅動電路及編碼器反饋電路即可。電機控制模塊和計數器模塊都在FPGA內部集成，因而硬件電路的結構較為穩定。
由于IP技術的飛速發展，在圖2中的FPGA芯片內部模塊中，MPU、ROM、RAM、計數模塊等的IP核都可以很方便地獲得，而電機控制模塊由于與具體的功率放大電路實際相關，因而通常需要用戶自行設計。下面介紹這一模塊的設計。
2 二相步進電機控制模塊結構
以小慣量的二相步進電機為例闡述步進電機控制模塊的結構。該步進電機由兩片PBL3717a芯片所驅動，其驅動時序及其控制模塊如圖3、圖4所示。
?
在控制模塊中，mtr_cp為步進電機的脈沖輸入端，每個脈沖驅動步進電機前進/后退一步，脈沖頻率即為步進電機運行的速度，因此這個脈沖信號由MPU模塊根據ROM內部程序的執行結果輸出。mtr_dir為步進電機的正/反轉切換信號，mtr_mode為步進電機全/半步運行方式選擇，mtr_on_off是電機的啟停位，該位置1時，mtr_cp能夠驅動步進電機工作；為0時，mtr_cp脈沖被封鎖。設置該位的目的是為了在多個步進電機工作時分別控制各個電機的啟停而不影響到其他電機的運行狀態。mtr_reset是控制模塊復位信號，A_out為圖3中下標為A的驅動芯片控制信號，B_out為圖3中下標為B的驅動芯片的控制信號。步進電機的控制模塊的仿真波形圖如圖5所示。從圖5可以看出，仿真波形完全符合圖2中步進電機的驅動時序，即控制模塊的設計滿足預定的設計需求。
?
由上分析，利用上述多個步進電機控制模塊以圖6所示的方式進行適當的連接，就能夠構成本文所論述的基于SOPC的步進電機多軸控制器。由于MPU、ROM、RAM、電機控制模塊等都是以功能模塊的形式集成在FPGA芯片內部，因此大大縮小了基于SOPC的步進電機多軸控制器的尺寸。這些功能模塊可以根據實際的應用進行添加或刪除(即對FPGA芯片的內部邏輯結構進行重構)，因此極大地增強了系統設計的靈活性，能更好地滿足不同應用領域的需求。
IP技術的飛速發展使得開發人員很容易獲得多數通用模塊的可復用IP核，從而減輕了開發人員的負擔，縮短了開發周期。當系統需要升級時，也不需要對硬件電路重新設計，只需通過修改FPGA中相應模塊的配置文件，因此節約了控制器的升級成本。同時，由于MPU模塊的功能與實際的微處理器相同，因而在微處理器上可運行的控制程序也可以很容易移植到MPU模塊中運行。為了便于闡述基于SOPC的步進電機多軸控制器，本文側重于闡述多個步進電機同速恒速運行的情況。對于變速運行的情況，可通過在MPU的脈沖輸出端和各電機控制模塊的脈沖輸入端之間插入MPU可控的分頻模塊來獲得，同時增加插補模塊以實現不同電機之間的聯動功能。
本文所述的基于SOPC的步進電機多軸控制器應用于半自動生化分析儀的取樣針移位系統中，能夠實現傳統步進電機多軸控制器的所有控制功能，控制器的尺寸小于傳統控制器；當控制器的數字電路部分需要修改時，無需更換控制器的實際硬件電路，大大方便了控制器的研究設計工作并節約了相應的開發成本。
參考文獻
1 任艷穎，王 彬. IC設計基礎.西安：西安電子科技大學出版社，2003
2 Armstrong J R, Gray F G著，李宗伯,王蓉暉等譯.VHDL設計 表示和綜合.北京：機械工業出版社，2002
3 徐 欣,于紅旗.基于FPGA的嵌入式系統設計(Xilinx Edition).北京：機械工業出版社，2005
4 譚建成.電機控制專用集成電路.北京：機械工業出版社，2004