基于ARM和FPGA的数控系统研究及实现

论文摘要

随着信息化、智能化、网络化的发展,数控机床的应用越来越广泛,基于嵌入式系统的数控机床也以多样化的形式迅速发展起来。在对嵌入式系统、运动控制技术进行深入分析研究的基础上,提出了基于FPGA和ARM的数控系统的总体设计方案,建立了基于32位微处理器S3C44B0X的硬件平台及基于uC/OS-Ⅱ操作系统的软件平台。基于ARM与FPGA的运动控制系统是集成了计算机数字控制技术、ARM、FPGA及嵌入式操作系统等技术的系统,主要目标是设计一种受计算机控制,具有一定柔性和开放性的运动控制器,是对低成本、高性能的三轴运动控制系统研究的一个新的尝试。基于ARM与FPGA的运动控制系统的软、硬件部分的设计与实现及运动控制算法的研究,是设计的主要任务。本论文主要研究三个方面的内容:运动控制系统硬件设计实现;uC/OS-Ⅱ操作系统在ARM上的移植;将运动控制系统运用在数控系统中并实现控制的插补运算控制算法。系统应用软件采取模块化设计,由uC/OS-Ⅱ操作系统完成各任务之间的管理调度,实现相应的控制功能。控制系统采用模块化设计,主要模块包括:人机界面模块、数据处理模块、运动控制模块、逻辑控制模块、辅助控制模块和伺服控制模块。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 本课题研究意义
• 1.4 ARM 和嵌入式系统概述
• 1.5 FPGA 介绍
• 1.6 论文研究内容
• 1.7 论文结构安排
• 第二章 系统总体介绍
• 2.1 数控系统体系结构
• 2.2 技术要求
• 2.3 总体结构分析
• 2.4 软硬件功能划分
• 2.4.1 软硬件功能划分的原则
• 2.4.2 软硬件功能划分的具体实现
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 板级硬件设计
• 3.1.1 板极硬件设计框图
• 3.1.2 板级设计的原则
• 3.1.3 性能分析与初步设计
• 3.1.4 CPU 子系统
• 3.1.5 FPGA 子系统
• 3.1.6 DA 转换子系统
• 3.1.7 信号隔离与转换子系统
• 3.1.8 电源子系统
• 3.2 芯片级硬件设计
• 3.2.1 芯片级硬件设计框图
• 3.2.2 FPGA 的开发
• 3.2.3 ACEX 系列FPGA
• 3.2.4 各功能模块的实现
• 3.2.5 HDL 编写注意事项
• 3.2.6 设计要点
• 第四章 基于uC/OS-Ⅱ系统软件设计
• 4.1 系统软件平台的建立
• 4.1.1 uC/OS-Ⅱ实时操作系统简介
• 4.1.2 uC/OS-Ⅱ实时操作系统的移植
• 4.2 运动控制系统软件方案
• 4.3 运动控制算法研究和实现
• 4.3.1 直线插补算法
• 4.3.2 圆弧插补算法
• 4.3.3 控制轴运动控制模式
• 4.4 人机界面模块
• 4.5 辅助控制模块
• 4.6 数据处理模块
• 4.7 伺服控制任务
• 4.8 硬件检测系统
• 4.9 数控系统软件接口设计
• 4.9.1 FPGA 接口
• 4.9.2 电机运动控制
• 第五章 软硬件联调和试验
• 5.1 软硬件联调
• 5.1.1 CPU 子系统
• 5.1.2 LCD 接口
• 5.1.3 FPGA 子系统
• 5.1.4 DA 转换子系统
• 5.2 试验测试与数据分析
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献