基于ARM+FPGA的工业CT控制系统研究与设计

论文摘要

随着工业CT技术的发展,工业CT的应用领域越来越广泛,它在一些新兴应用领域正发挥着越来越重要的作用,同时,新兴应用领域对工业CT系统提出了更高的要求,即要求工业CT的精度更高、效率更高、尺寸更小、成本更低、移动更方便、升级更容易等。这就需要突破现有工业CT各子系统的实现方式,进行全面的再设计。而作为工业CT三大关键技术之一的控制系统,其性能将直接影响工业CT系统的性能。本文提出了一种基于ARM嵌入式处理器、现场可编程门阵列FPGA和嵌入式Linux操作系统的工业CT嵌入式控制方案。将ARM作为应用管理处理器,负责系统故障诊断、数据传输、命令扫描、立即指令的执行等,根据工业CT运动控制特性定制的运动控制器FPGA,接收ARM的命令并解释执行,通过驱动器去实现具体的运动过程。围绕这一方案,论文分析并设计了工业CT嵌入式控制系统的ARM子系统、FPGA子系统和包含串口及网口等外围接口的电路。在Quartus II集成开发环境下对FPGA进行了设计,并讨论了运动控制器中几个关键模块的实现方法。完成了硬件平台设计之后,论文讨论了嵌入式设计的交叉开发模式及嵌入式交叉开发环境的建立方法,分析了Boot loader的启动流程,并选取ppcboot作为Boot loader,针对目标硬件平台对启动代码作了修改和移植。论文随后讨论了嵌入式Linux操作系统的启动流程,并结合目标平台对Linux操作系统进行了配置和移植,创建了基于ramdisk的根文件系统和JFFS2文件系统。接下来,论文重点讨论了字符型设备的驱动程序框架及运动控制器EP1C6的驱动程序的实现过程,分析了工业CT控制程序的结构和执行流程,并对工业CT控制系统的几个模块作了较详细的分析说明。论文的最后,讨论了电路设计中需要注意的几个问题,对设计的嵌入式控制系统包括硬件、软件和Linux内核进行了调试,并对工业CT嵌入式控制系统的功能和性能进行了全面的测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 工业CT 发展概况
• 1.1.1 工业CT 发展背景
• 1.1.2 工业CT 国内现状
• 1.3 伺服控制系统概况
• 1.4 嵌入式系统概况
• 1.5 课题研究意义
• 2 控制系统总体设计
• 2.1 系统需求分析
• 2.1.1 功能要求
• 2.1.2 性能要求
• 2.2 控制系统总体结构设计
• 2.3 关键元器件选型
• 2.3.1 ARM 处理器选型
• 2.3.2 FPGA 的选型
• 2.4 嵌入式操作系统选择
• 2.5 FPGA 的开发环境
• 2.5.1 HDL 硬件描述语言
• 2.5.2 FPGA 开发流程
• 2.5.3 Quartus II 集成开发环境
• 2.6 本章小结
• 3 控制系统硬件设计
• 3.1 ARM 子系统设计
• 3.2 FPGA 子系统设计
• 3.3 外部硬件接口设计
• 3.4 运动控制接口设计
• 3.4.1 总线接口模块
• 3.4.2 中断控制模块
• 3.4.3 计数器模块
• 3.4.4 驱动器控制模块
• 3.5 本章小结
• 4 控制系统软件设计
• 4.1 控制系统软件结构设计
• 4.2 安装交叉编译工具链
• 4.3 启动代码的修改及移植
• 4.3.1 Boot loader 概述
• 4.3.2 Boot loader 编译下载
• 4.4 LINUX 操作系统移植
• 4.4.1 Linux 内核概述
• 4.4.2 内核配置编译
• 4.5 文件系统的创建及移植
• 4.5.1 Linux 文件系统概述
• 4.5.2 Busybox 配置编译
• 4.5.3 基于ramdisk 的Ext2 根文件系统制作
• 4.5.4 JFFS2 文件系统制作
• 4.6 驱动程序的编写及移植
• 4.6.1 Linux 驱动程序概述
• 4.6.2 EP1C6 驱动程序开发
• 4.7 工业CT 控制程序设计
• 4.8 本章小结
• 5 控制系统的调试及结果
• 5.1 硬件电路的电磁兼容
• 5.2 系统硬件电路调试
• 5.3 LINUX 内核的调试
• 5.4 测试结果
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录