基于可编程片上系统（SOPC）的可重构网络化运动控制器

论文摘要

运动控制器在工业、国防和人们的生活中，有着广泛的应用。然而目前常用的运动控制器结构存在很多缺陷，如体积过大，不支持通信，硬件一旦固定就无法改变等。从而导致运动控制器之间相互孤立，系统升级过程中浪费大量资源。为了解决这些问题，本文对运动控制器结构进行了研究。本文首先分析了目前运动控制器常用的体系结构，指出了它们在体积、通信、灵活性方面的不足。针对运动控制器性能可伸缩性和功能可扩展性等方面的要求，提出了一种新的片上可重构网络化运动控制器结构。并对该种运动控制器采用的系统芯片技术、硬件可重构技术和嵌入式Internet技术进行了介绍。采用自上至下的流程，对该运动控制器结构进行了划分。为了实现该种片上可重构网络化运动控制器，运用集成了可编程微处理器和大规模逻辑器件的可编程片上系统（SOPC）来实现其硬件平台。在构造其硬件系统过程中，本文按照SOPC系统开发流程进行了相应的硬件平台的搭建，并研究了在SOPC系统中用户自主设计IP核的基本方法和流程。同时，运用VHDL硬件描述语言实现了两个硬件IP核，分别是三相SPWM变频触发IP核和直流电机控制信号生成IP核。为了保证系统的实时性，将实时操作系统uC／OS-Ⅱ引入到原型系统软件设计中，并对系统软件部分任务进行了详细的划分，利用实时操作系统进行任务管理以及任务前的消息传递。最后搭建了一个测试平台，从远程运动控制和硬件可重构两个方面对原型系统进行了测试。结果表明：用户能够通过浏览器发送命令，实现对电机的远程控制。并且通过替换硬件IP核，实现对不同类型电机的控制。测试结果验证了所提出的运动控制器结构具有较好的性能可伸缩性和功能可扩展性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题意义
• 1.3 课题背景
• 1.3.1 运动控制器现状及其问题
• 1.3.2 硬件可重构计算
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 论文结构
• 第2章 运动控制器结构分析
• 2.1 引言
• 2.2 运动控制器结构分类
• 2.3 基于PC机和运动控制卡的运动控制器结构
• 2.4 基于嵌入式计算的运动控制器结构
• 2.5 一种片上可重构的网络化运动控制器结构
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 融合三种新技术的运动控制器结构
• 2.5.3 新运动控制器结构的顶层模块划分
• 2.6 小结
• 第3章 硬件平台的配置和设计
• 3.1 片上系统（SOC）介绍
• 3.2 SOPC系统介绍
• 3.2.1 SOPC系统概述
• 3.2.2 SOPC中的处理器
• 3.2.3 SOPC中的可编程资源
• 3.3 硬件平台、设计工具与开发环境
• 3.3.1 开发系统组成和开发工具介绍
• 3.3.2 系统开发流程介绍
• 3.4 运动控制器 SOPC系统硬件平台配置
• 3.5 SOPC系统 IP核设计方法
• 3.6 三相正弦波脉宽调制（SPWM）变频触发IP核设计
• 3.6.1 SPWM波形产生原理
• 3.6.2 三相 SPWM变频触发核的实现
• 3.7 直流电机控制IP核设计
• 3.8 小结
• 第4章 软件平台设计与实现
• 4.1 操作系统的选择
• 4.1.1 嵌入式系统简介
• 4.1.2 实时操作系统简介
• 4.1.3 RTOS的评价指标
• 4.1.4 实时操作系统uC/OS-II
• 4.2 软件平台的设计和实现
• 4.2.1 软件系统模块划分
• 4.2.2 系统软件部分实现
• 4.3 小结
• 第5章 原型系统测试及评价
• 5.1 引言
• 5.2 测试环境的建立
• 5.3 远程运动控制测试
• 5.3.1 测试方法和过程
• 5.3.2 测试结果
• 5.4 硬件可重构性测试
• 5.4.1 测试方法和过程
• 5.5 小结
• 结论
• 1.本文工作总结
• 2.进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢
• 附录