基于ARM的嵌入式数控系统硬件平台设计

分类号学号M200970320学校代码10487密级硕士学位论文基于ARM的嵌入式数控系统硬件平台设计学位申请人：冯健学科专业：机械电子工程指导教师：叶伯生副教授答辩日期：2012年1月8日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDesignofEmbeddedNumericalControlSystemHardwarePlatformBasedonARMCandidate:FengJianMajor:MechanicalandElectronicEngineeringSupervisor:AssociateProf.YeBoshengHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJanuary,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文I摘要数控机床种类繁多,不同的数控机床对数控系统有不同的需求。目前广泛用于数控车、铣、加工中心的数控系统，无法适应市场对成本和功能多样性的需求。特别是钣金加工、纺织等行业的核心数控系统，对运动控制精度要求较低，对工艺的要求高，数控系统仍然依赖进口，严重的制约了这些行业的发展。本文针对上述行业的需求，研究开发了一种基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统硬件平台。本文的主要工作如下：在研究国内外常用的高档、中低档数控系统硬件结构的基础上提出基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统硬件平台方案。充分利用ARM、FPGA低功耗的特点，选用低功耗的外围器件，设计了低功耗的硬件系统以及系统保护的电路。研究了数控系统的各种专用控制接口，在FPGA中使用VHDL语言实现了相应的接口控制逻辑，设计了ARM访问这些外接接口的体系结构和协议，并利用FPGA并行计算的特点提升ARM控制这些接口的效率。针对ARM处理器浮点运算方面的不足，在FPGA中设计了基于三次B样条插补算法的硬件插补器，减轻ARM处理器的负载，提升系统的实时性和插补精度。基于上述研究成果，完成了嵌入式数控系统硬件平台的PCB设计和集成，搭建了硬件的测试平台，对硬件的稳定性和可靠性进行了测试分析，研制的硬件平台在浙江西陵台钻的三轴数控台钻和武汉科普数控设备有限公司的三轴玻璃磨花机中得到了应用验证。关键词：ARMFPGA数控系统硬件平台硬件插补器华中科技大学硕士学位论文IIAbstractAlthoughtherearemanykindsofnumbercontrolmachines,fordifferentNCmachinehasthedifferentdemand,theNCsystemscommonlyusedforlathing,millingandmachiningcenteratpresentcannotfittheneedsofmarketforcostandthediversityofthefunction.EspeciallytheNCsystemsusedonthesheetmetalprocessingindustry,textileindustryandsoonhavelessaccuracyrequirementsonmotioncontrol,butmorerequirementsoncraft,somuchofthemstilldependonentrancestrongly,thishasheavilyrestrictedthedevelopmentofthisindustry.Aimedattherequirementofsuchindustries,inthethesisanembeddedNCsystemhardwareplatformbasedonARM+FPGAwasdesigned.Themajorworksofthisarticleinclude.Basedonthestudyofthehardwarestructureofthehigh-grade,mid-grade,low-gradenumericalcontrolsysteminandabroad;aschemeoftheembeddedNCsystemhardwareplatformwasproposed.BestusedofcharacteristicsoflowpowerconsumptionoftheFPGAandARM,andthroughchoosinglowpowerconsumptionperipheraldevices,ahardwaresystemwithlowconsumptionandthesystemprotectioncircuitweredesigned.Basedonthestudyofallkindsofspecialinterfacesofnumericalcontrolsystem,thelogiccontroloftheseinterfaceswasdesignedbyusingVHDLintheFPGA.AlsothesystemstructureandagreementoftheinterfaceswhichARMcanaccesswasdesigned,andtherationARMcontrolstheseinterfaceswasimprovedthroughtakingadvantageoftheabilityofparallelcomputingofFPGA.AimedoftheweaknessofARMonthefloating-pointcalculations,ahardwareinterpolatorwhichwasbasedonthecubicb-splineinterpolationalgorithmintheFPGAwasdesigned,whichcouldreducetheloadoftheARMprocessorandimprovethe华中科技大学硕士学位论文IIIinterpolationprecisionandinstantaneityofthesystem.Basedontheworksabove,thePCBdesignandintegrationoftheembeddedNCsystemhardwareplatformwerecompleted.Afterthetestplatformprepared,thestabilityandthereliabilityofthisplatformweretestedandanalysis.Atlasttheabilityofplatformonpracticalapplicationwasprovedthoughusingitonthethree-axleNCbenchdrillingmachineofZhejiangXilingbenchdrillingcompanyandthethree-axleNCglasswearawaymachineofWuhanscienceNCequipmentCo.LTD.Keywords：ARM，FPGA，NCsystem，hardwareplatform，hardwareinterpolation华中科技大学硕士学位论文IV目录摘要...........................................................................................................IAbstract...........................................................................................................II1绪论1.1课题来源与研究意义............................................................................(1)1.2国内外数控系统硬件结构研究现状....................................................(2)1.3国内外嵌入式数控系统研究现状........................................................(3)1.4本文的主要工作.....................................................................................(5)2嵌入式数控系统硬件平台总体方案设计2.1数控系统体系结构分析........................................................................(6)2.2嵌入式数控系统硬件平台总体方案..................................................(10)2.3本章小结...............................................................................................(14)3基于ARM处理器的嵌入式数控系统硬件设计3.1ARM运行的最小系统........................................................................(15)3.2ARM的外设接口设计........................................................................(18)3.3FPGA外围电路设计...........................................................................(19)3.4嵌入式数控系统平台的硬件实现......................................................(22)3.5本章小结...............................................................................................(26)4FPGA系统固件程序设计华中科技大学硕士学位论文V4.1FPGA程序总体设计方案...................................................................(27)4.2硬件插补器模块设计..........................................................................(28)4.3ARM通信接口