基于DSP和FPGA的数控系统研究与开发

论文摘要

随着数控系统的通用化和小型化,以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为核心的数控系统正成为当前数控系统的重要发展方向。一方面,以DSP作为数控系统的核心处理器,能够发挥其高速运算和编程灵活的特长,便于实现复杂的实时运动控制算法,提高系统的控制性能;另一方面,采用FPGA将大量的逻辑控制功能和外围接口电路集成在其中,可有效减小系统体积,提高数控系统的可靠性和稳定性。本文在对不同硬件平台数控系统进行比较研究的基础上,设计开发了一款以DSP和FPGA为主控单元的四轴闭环数控系统平台。首先,在需求分析的基础上规划设计了数控系统硬件方案,对DSP和FPGA外围电路、数字脉冲输出电路、模拟量输出电路、编码器信号采集电路、通用I/O接口电路等实现方法进行了详细讨论,完成了系统硬件的设计制作。为提高数控系统的硬件集成度和可靠性,通过对FPGA的编程设计,在FPGA中实现了具有S形加减速的高速平稳运动控制、硬件精插补器、主轴转速控制DAC接口、编码器信号处理电路、手脉信号处理电路、数字I/O信号处理电路和双端口RAM等功能模块,并通过了调试、测试。最后,基于上述硬件平台,采用模块化程序设计方法和C语言编程完成了数控系统的部分软件设计,包括DSP端的运动控制模块测试程序和人机界面单片机控制软件,并完成系统主要功能的硬软件联调。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 数控系统的发展状况
• 1.2 数控系统的发展趋势
• 1.3 数控系统硬件平台实现方案
• 1.4 本文研究目的及内容
• 第二章 数控系统总体方案设计
• 2.1 数控系统功能要求与技术指标
• 2.2 数控系统硬件平台总体方案
• 2.2.1 中心控制单元设计方案
• 2.2.2 电机驱动模块设计方案
• 2.2.3 编码器接口模块设计方案
• 2.2.4 手摇脉冲发生器接口模块设计方案
• 2.2.5 开关量输入/输出接口模块设计方案
• 2.2.6 人机界面模块设计方案
• 2.3 数控系统软件规划
• 2.4 本章小结
• 第三章 数控系统硬件平台设计
• 3.1 DSP 硬件电路设计
• 3.1.1 DSP 电源电路设计
• 3.1.2 DSP 电源监控和复位电路设计
• 3.1.3 DSP 外部扩展SRAM 电路设计
• 3.2 FPGA 硬件电路设计
• 3.2.1 FPGA 电源模块设计
• 3.2.2 FPGA 配置模块设计
• 3.3 通信模块电路设计
• 3.4 数字脉冲输出电路设计
• 3.5 模拟量输出电路设计
• 3.6 编码器接口电路设计
• 3.7 手摇脉冲发生器模块电路设计
• 3.8 开关量输入/输出接口模块电路设计
• 3.9 一些硬件抗干扰措施
• 3.10 本章小结
• 第四章 数控系统运动控制算法研究
• 4.1 运动控制中的加减速技术
• 4.2 加减速控制算法
• 4.2.1 梯形加减速
• 4.2.2 S 曲线加减速
• 4.3 应用于硬件插补控制的数字积分法
• 4.4 本章小结
• 第五章 FPGA 内部各功能模块的实现
• 5.1 FPGA 简介
• 5.1.1 FPGA 开发环境与设计流程简介
• 5.1.2 FPGA 设计基本原则
• 5.2 精插补电路设计
• 5.2.1 时序发生电路
• 5.2.2 精插补译码电路
• 5.2.3 DDA 积分器电路
• 5.3 空行程的S 形加减速控制电路设计
• 5.3.1 主控模块
• 5.3.2 DDA 积分器模块
• 5.3.3 脉冲计数器与锁存器模块
• 5.4 编码器接口模块电路设计
• 5.4.1 四倍频细分及辨向电路设计
• 5.4.2 可逆计数器设计
• 5.5 手脉接口模块电路设计
• 5.6 DAC 接口电路设计
• 5.7 输入/输出开关量信号处理电路设计
• 5.8 双端口RAM 模块设计
• 5.9 本章小结
• 第六章 数控系统底层软件设计
• 6.1 DSP 端软件设计
• 6.1.1 主程序模块
• 6.1.2 基于双端口RAM 实现DSP 与单片机二者间通信模块
• 6.1.3 运动控制系统各功能模块测试程序
• 6.2 单片机端软件设计
• 6.2.1 文件管理界面设计
• 6.2.2 空运行界面设计
• 6.2.3 自动运行界面设计
• 6.2.4 手动运行界面设计
• 6.2.5 回零界面设计
• 6.2.6 MDI 界面设计
• 6.2.7 对刀界面设计
• 6.2.8 参数设置界面设计
• 6.3 软件抗干扰措施
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 附录A 数控系统硬件主板PCB 图与人机界面图