基于FPGA的数控系统现场总线技术的研究

论文摘要

以高档数控机床为代表的先进装备制造业是衡量国家工业现代化的标志。传统的数控装置与伺服驱动器之间的模拟量或脉冲量通信方式难以满足数控系统对多通道、高速、高精度的要求,现场总线成为数控系统通信发展的主流。本文详细分析了现场总线的特点、国内外研究现状以及存在的不足,围绕着如何满足数控系统实时性、同步性以及高可靠性要求,结合现场总线以及现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术的特点,设计了基于FPGA的数控系统现场总线通信方案,并从技术方案、硬件平台、FPGA实现等方面论述了数控系统现场总线的实现途径。本文采用了模块化、层次化的体系结构设计方法,结合模块间的通讯要求以及现场总线的特点,采用PHY+FPGA+CPU的硬件平台,由现场总线PHY层和MAC层两个基本层次组成,并从数控系统实时性、同步性、高可靠性要求以及可扩展性、成本等方面进行综合的比较,确定了双环通信方案。研究了现场总线初始化、数据收发、硬件实时CRC-32校验及其它数控相关协议模块的FPGA实现方法及硬件电路。设计出简单、实用的数控系统现场总线协议,对协议处理流程、报文结构、通信周期、通信规程等问题进行了初步研究。基于FPGA的数控系统现场总线,实现了数控系统内部控制器和伺服驱动器、I/O之间的实时通信,达到较高同步精度,并具备高可靠性。高性能FPGA芯片硬件可编程的特点进一步提高了系统的灵活性和开放性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景与研究意义
• 1.2 课题研究现状及发展趋势
• 1.3 论文研究的主要内容和结构
• 2 数控系统现场总线技术方案
• 2.1 数控系统现场总线体系结构
• 2.2 数控系统现场总线拓扑结构研究
• 2.3 数控系统现场总线通信模块硬件技术方案
• 2.4 数控系统现场总线软硬件开发环境简介
• 2.5 本章小结
• 3 数控系统现场总线硬件平台的构建
• 3.1 数控系统现场总线硬件平台
• 3.2 现场总线PHY 层硬件平台
• 3.3 现场总线MAC 层硬件平台
• 3.4 本章小结
• 4 数控系统现场总线的FPGA 实现
• 4.1 FPGA 内部逻辑电路
• 4.2 FPGA 实现初始化
• 4.3 FPGA 实现数据收发
• 4.4 FPGA 实现硬件实时CRC 校验
• 4.5 FPGA 实现其它扩展功能
• 4.6 数控系统现场总线协议
• 4.7 应用实例
• 4.8 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间所申请的专利