基于FPGA的开放式数控系统实现方法的研究

论文摘要

数控设备在工业生产中占有重要的地位,是推动国民经济发展的重要基础设备。随着微电子技术、自动控制和通信技术的发展,数控设备不断更新换代,向着高速度、高精度、开放式的方向发展。近年来,通用PC机广泛使用,其性能也不断进步,PC机被引入数控领域,使得真正的开放式数控系统应运而生。它的出现也使传统的数控系统无论在结构上还是在性能上都实现了飞跃。在分析开放式数控技术的基础上,重点研究了数控系统通信部分的结构和特点。随着FPGA器件的出现,芯片的运算速度和可重构性能得到了提升,数控系统的实现方法有了新的选择。采用FPGA作为数控通信系统的主控芯片,并将USB总线应用于数控系统中,通过写入USB IP核的方式实现主控芯片与上位机的通信。结合基于FPGA的数控通信系统的要求,研究USB协议,按照IP核的设计流程,编写了数控系统通信部分IP核。根据数控系统的特点,对FPGA的功能模块进行了划分,编写了部分驱动控制及开关量控制IP核。按照技术要求和IP核总体规模对FPGA进行选型,并制作了数控系统通信实验板,进行测试,验证了各个IP核的功能。本文设计的使用FPGA来实现的开放式数控通信与控制系统解决了数控系统通信传输中数模转换限制速度的问题,提高了数控系统数据传输的速度,并在数控系统单芯片控制方面做了相应的研究,对我国数控系统的发展有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 开放式数控系统
• 1.2.2 数控系统的多种通信方法
• 1.2.3 FPGA 在数控系统中的应用
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 基于FPGA 的数控系统IP 核设计
• 2.1 FPGA 器件及其描述语言VerilogHDL
• 2.2 IP 核设计流程及其开发工具
• 2.3 USB 通讯协议
• 2.4 基于FPGA 的数控通信与控制系统总体设计
• 2.5 数控通信与控制系统IP 核设计与仿真
• 2.5.1 USB 通讯协议模块SIE
• 2.5.2 USB 通讯接口模块PHY
• 2.5.3 步进电机驱动模块IP 核设计及仿真
• 2.5.4 SPWM 生成模块设计及仿真
• 2.5.5 通讯控制模块规划
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于FPGA 的数控系统硬件实现
• 3.1 基于FPGA 的数控系统总体硬件结构设计
• 3.2 FPGA 数控系统通信实验板电路设计
• 3.2.1 主控芯片及扩展端口
• 3.2.2 FPGA 辅助器件及配置电路
• 3.2.3 电机驱动部分
• 3.3 FPGA 通信电缆
• 3.4 PC 端USB 驱动程序设计
• 3.4.1 WDM 驱动程序模型
• 3.4.2 USB 驱动程序设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 软件设计及实验测试
• 4.1 PC 端测试程序设计
• 4.2 USB 通信模块实验测试
• 4.3 驱动模块实验测试
• 4.3.1 开关量控制模块实验测试
• 4.3.2 步进电机驱动信号实验验证
• 4.3.3 SPWM 生成模块实验测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢