基于ARM和FPGA的嵌入式运动控制器的研究

论文摘要

运动控制技术是对机械运动部件的位置、速度等参数进行实时控制管理,使其按照规定的运动轨迹和日运动参数进行运动的技术。随着运动控制技术的不断进步和发展,开放式、高性能、低成本的嵌入式运动控制器正成为市场新的需求,采用MCU、FPGA/CPLD、DSP控制器的嵌入式运动控制系统正得到迅速发展。在对各种嵌入式运动控制方案进行分析的基础上,基于ARM、FPGA和嵌入式Linux操作系统设计了嵌入式运动控制器。论文主要有以下四个方面的工作。通过对现有嵌入式运动控制方案的比较,提出基于ARM和FPGA硬件平台结合嵌入式Linux操作系统来设计两轴嵌入式运动控制器的方案。根据运动控制器硬件体系的规划,选用基于S3C2410和EP2C8的硬件方案。在ARM和FPGA的通信接口方面,首先使用Verilog HDL设计FPGA的UART控制器,再基于Linux设计ARM的RS232通信程序,实现ARM和FPGA的通信。在FPGA上,使用Verilog HDL设计两轴运动控制的底层运动功能,再使用Quartus II等软件完成FPGA的综合、仿真及布局布线。把配置文件烧写到专用配置芯片后,即可实现FPGA的运动控制功能。通过进一步连接步进电机驱动器、步进电机和机械运动平台,搭建了测试系统,并在该系统上完成了运动控制器的功能验证实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 本课题研究的背景
• 1.3 国内外相关技术发展现状
• 1.3.1 运动控制技术概述
• 1.3.2 运动控制器发展现状
• 1.3.3 嵌入式系统概况
• 1.4 本课题研究的意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 嵌入式运动控制器方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统设计要求
• 2.3 控制核心比较研究
• 2.4 嵌入式控制器软硬件方案确定
• 2.4.1 硬件方案
• 2.4.2 嵌入式操作系统的选择
• 2.4.3 本文使用的软硬件资源
• 2.5 运动控制算法
• 2.5.1 插补算法
• 2.5.2 加减速算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于FPGA的运动控制算法研究与设计
• 3.1 基于VERILOG HDL 的FPGA 的设计方法
• 3.1.1 FPGA 常用设计方法
• 3.1.2 有限状态机（FSM，Finite State Machine）
• 3.1.3 FPGA 设计流程
• 3.2 FPGA 模块设计
• 3.2.1 运动控制模块总体设计
• 3.2.2 插补模块设计
• 3.2.3 速度管理模块设计
• 3.2.4 通信模块设计
• 3.2.5 位置管理模块设计
• 3.2.6 寄存器命令解析模块设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 软件系统及接口设计
• 4.1 嵌入式系统构建
• 4.1.1 嵌入式系统结构
• 4.1.2 系统引导
• 4.1.3 编译Linux 内核
• 4.1.4 文件系统
• 4.2 ARM 与FPGA 通信方式
• 4.3 ARM 与FPGA 的RS232 通信
• 4.3.1 FPGA 的UART 控制器设计
• 4.3.2 Linux 串口设置
• 4.3.3 ARM 与FPGA 串口通信程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 控制器功能验证
• 5.1 系统仿真验证
• 5.2 示波器验证
• 5.3 运动平台验证
• 5.3.1 测试系统建立
• 5.3.2 直线插补实验
• 5.3.3 圆弧插补实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢