基于FPGA高性能分光测色仪平台控制器的研究

论文摘要

色彩管理技术近几年得到迅猛发展,分光测色仪则是色彩管理中不可或缺的高精度颜色测量设备。目前,动态分光测色仪技术还存在测量速度慢、成本高、与现有先进技术脱节等缺陷,因此高速高性能分光测色仪的研制有着广阔的应用前景,本课题旨在研制高速高性能分光测色仪的运动控制部件――基于IP核的平台控制器。本文在对一种多轴联动的速度控制和脉冲分配优化算法进行详细探讨的基础上,设计实现了基于FPGA的X-Y平台运动控制器。首先,利用FPGA定制了发送脉冲控制步进电机工作的电路,通过将多种互不重叠的基脉冲叠加,实现了运动速度的可调;通过采用累加器的半加载、被积函数的左移规格化以及空间矢量速度的调速后再分解等技术,使得插补运算速度更快、脉冲分配更均匀、定位更准确。其次,完成了FPGA周边电路、USB通信电路及步进电机驱动电路等硬件电路的设计。实验结果表明,这种用硬件方式实现的X-Y平台控制器达到了对步进电机高速高精度的控制要求。论文的成果为高性能分光测色仪控制平台的实现奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 测色仪简介
• 1.2 研究现状
• 1.3 本课题的设计方案
• 1.4 本文主要任务及章节安排
• 第二章 数控技术理论基础
• 2.1 步进电机
• 2.2 步进电机的加减速控制
• 2.3 插补
• 2.3.1 插补原理
• 2.3.2 数字积分直线插补
• 2.3.3 空间直线插补
• 2.4 细分控制算法
• 2.5 单片机系统中多轴步进电机联动
• 2.6 软硬件实现方式的性能对比
• 2.7 本章小结
• 第三章 系统总体结构及外围硬件电路设计
• 3.1 总体设计
• 3.2 FPGA设计简介
• 3.3 FPGA周边电路设计
• 3.3.1 时钟电路
• 3.3.2 复位电路
• 3.3.3 USB通信电路
• 3.3.4 JTAG、AS下载电路
• 3.4 步进电机驱动电路设计
• 3.5 面板控制、静电吸附、电源管理和照明电路
• 3.6 电源管理
• 3.7 本章小结
• 第四章 算法优化及实现
• 4.1 FPGA中IP核整体设计
• 4.2 算法的优化
• 4.2.1 速度调节
• 4.2.2 数据左移规格化和半加载
• 4.2.3 空间矢量速度
• 4.2.4 细分控制
• 4.3 优化算法在本系统中的具体实现
• 4.3.1 PC机上数据预处理
• 4.3.2 USB与FPGA之间的数据传输
• 4.3.3 FPGA设计中高速高精度保证
• 4.4 FPGA仿真实验验证
• 4.4.1 ALTERA器件开发环境
• 4.4.2 FPGA设计流程
• 4.4.3 仿真工具ModelSim
• 4.4.4 仿真验证结果说明
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果