基于FPGA的PCI接口運(yùn)動(dòng)控制卡的研究

制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ)，而制造技術(shù)又是制造業(yè)的技術(shù)支柱，制造業(yè)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。以傳統(tǒng)機(jī)電工業(yè)為代表的制造業(yè)，正經(jīng)歷著深刻的變革。在這場(chǎng)革命中，大力發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)已成為各國(guó)最重要的幾大技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與產(chǎn)品革新的一種重要手段。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的最基本的裝備，是制造業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，這個(gè)基礎(chǔ)牢固與否將直接影響到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力，關(guān)系到國(guó)家的戰(zhàn)略地位。

運(yùn)動(dòng)控制器是以中央邏輯單元為核心，以傳感器為信號(hào)敏感元件，以電機(jī)/動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來說，最重要的是控制各個(gè)電機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)，這是運(yùn)動(dòng)控制器接收并依照數(shù)控裝置的指令來控制各個(gè)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的，數(shù)據(jù)加工中的定位控制精度、速度調(diào)節(jié)的性能等重要指標(biāo)都與運(yùn)動(dòng)控制器直接相關(guān)。目前對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的研究都集中在插入PC的NC控制器的研究上，而其核心部分就是對(duì)步進(jìn)、伺服電機(jī)進(jìn)行控制的運(yùn)動(dòng)控制卡的研究。對(duì)PC-NC來說，運(yùn)動(dòng)控制卡的性能很大程度上決定了整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的性能，而微電子和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，使運(yùn)動(dòng)控制卡的性能得到了不斷改進(jìn)，集成度和可靠性大大提高。

本課題通過對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的深入研究，并針對(duì)國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究起步較晚的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的具體需要，緊跟當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)，吸收了數(shù)控技術(shù)和相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的最新成果，提出了基于PCI和FPGA的方案 ，研制了一款比較新穎的、功能強(qiáng)大的、具有很大柔性的四軸多功能運(yùn)動(dòng)控制卡。

本課題的具體研究主要有以下幾方面：

首先，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡及嵌入式系統(tǒng)等行業(yè)現(xiàn)狀的全面調(diào)研，和對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的深入學(xué)習(xí)，在比較了幾種常用的運(yùn)動(dòng)控制方案的基礎(chǔ)上，提出了基于FPGA 的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案，并規(guī)劃了板卡的總體設(shè)計(jì)。

其次，根據(jù)總體設(shè)計(jì)，規(guī)劃了板卡的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)劃分并實(shí)現(xiàn)了FPGA各部分的功能；利用光電隔離原理設(shè)計(jì)了數(shù)字輸入/輸出電路。

再次，利用FPGA的資源實(shí)現(xiàn)了PCI從設(shè)備接口，達(dá)到跟控制卡通信的目的，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中的一些具體問題，如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、實(shí)時(shí)控制以及多軸聯(lián)動(dòng)等，在FPGA上設(shè)計(jì)了四軸運(yùn)動(dòng)控制電路，定義了各個(gè)寄存器的具體功能，設(shè)計(jì)了功能齊全的加/減速控制電路、變頻分配電路、倍頻分頻電路和三個(gè)功能各異的計(jì)數(shù)器電路等，自動(dòng)降速點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、A/B相編碼器倍頻計(jì)數(shù)電路等特殊功能。

最后，進(jìn)行了本運(yùn)動(dòng)控制卡的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字測(cè)速在本運(yùn)動(dòng)控制卡中的應(yīng)用，從測(cè)試和應(yīng)用結(jié)果來看，該卡達(dá)到預(yù)期的要求。

關(guān)鍵詞：PCI   數(shù)控  運(yùn)動(dòng)控制卡  FPGA

The Research of Motion Control Board

Based on FPGA

Candidate：    Supervisor： 

Motion Controller (MC) is a control device that regards its central logic unit as the core, sensor as the sensitive component, and electromotor or executive unit as the controlled object. MC is very important in the ONCS, because it is the most important to control the movement of the motor of each axis in the NC system and the precision of position control and performance of velocity adjusting are directly related to MC. In the present, all of the researches of ONCS focus on that of the PC-based NC control device, whose key is the research of Motion Control Board (MCB) which is used to control stepping or servo motor. To PC-NC, in some degree, the performance of MCB decides that of the whole NC system, further more, the development and application of technology of macroelectronics and Digital Signal Processing continuously improve the performance of MCB and greatly increase the level of integration and dependability.

During the research, through the overall survey of ONCS and deep study of Motion Control Technology (MCT), facing the behindhand actuality of research of domestic MCT, to meet the practical requirements of the laser carving field, following the developing trend of the present MCT, drawing on the new production of the present ONCS and relating MCT, bringing forward the solution based on FPGA, we have developed a four-axis multifunctional MCB which is very original, powerful and flexible.

In the paper, there are the following major contents:

Firstly, through the overall survey of ONCS, embedded system and MCB, and deep study of MCT, after comparing the common solutions of motion control, we brought forward the solution of motion control based on FPGA, and made out the whole design solution of board.

Secondly, according to the whole design solution, we figured out the whole architecture of board, and plotted out and implemented the respective function of FPGA in detail. Further more, we designed digital input/output circuit according to the principle of photoelectricity isolation, four-channel analog output circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jamming measures in allusion to common jamming phenomena.

Thirdly, in allusion to some prcatical problems in the motion control, such as high speed, high precision, motion stabilization, real-time control and muti-axis contouring control, etc, we designed a four-axis MCB in the FPGA. We defined the functions of all of the registers in detail, designed perfect Acceleration/ Deceleration Control Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor Frequency Divider Circuit and three different counter circuits, achieved special functions of the S-curve Acceleration/ Deceleration Control, Ramping-down Point Counter & Calculation Circuit and A/B encoder multi-frequency circuit, etc.

Finally, we made out the test of board and came true the application of full-digital measure on the board. The motion control board met anticipative demand according to the result of test and application.

Keywords:  FPGA, Numerical Control, Motion Control Board  PCI

目  錄

1 緒論 1

1.1 開放式數(shù)控及其發(fā)展 1

1.1.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征 2

1.1.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 2

1.1.3 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 4

1.2 運(yùn)動(dòng)控制器及其研究現(xiàn)狀 5

1.2.1 運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀 5

1.2.2 常見運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上位控制方案 6

1.2.3 基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡常見解決方案 7

1.2.4 基于單FPGA的方案 11

1.3 本課題的意義及論文的主要內(nèi)容 11

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 13

2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù) 13

2.1.1 連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)原理 13

2.1.2 位置控制技術(shù) 14

2.2 基于PCI的運(yùn)動(dòng)控制卡 16

2.2.1 嵌入式系統(tǒng)概念 16

3 運(yùn)動(dòng)控制卡硬件設(shè)計(jì) 17

3.1 可編程邏輯器件簡(jiǎn)介 17

MPC07結(jié)構(gòu)示意圖 18

MPC07轉(zhuǎn)接卡結(jié)構(gòu)示意圖 19

功能模塊分析 19

模塊1 19

模塊2 19

3.4 外圍電路設(shè)計(jì) 19

3.4.1 光電隔離原理 19

3.4.2 數(shù)字I/O信號(hào)的接線方法 20

可編程器件的程序設(shè)計(jì) 22

程序（或功能）模塊1（PCI模塊） 25

功能說明 25

流程圖（C等）/方框圖（FPGA） 26

PCI接口配置空間的實(shí)現(xiàn) 30

4 基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制模塊（MCM） 32

4.1 MCM總體結(jié)構(gòu) 32

4.2 寄存器模塊 34

4.2.1 寄存器尋址 34

4.2.2 參數(shù)寄存器 34

4.2.3 命令和狀態(tài)緩沖器 36

4.3 速度模式模塊 40

4.3.1 倍率因子參數(shù) 41

4.3.2 脈沖頻率、、 41

4.3.3 加速、減速參數(shù)寄存器R4、R5 42

4.3.4 S-曲線加速部分寄存器R14 42

4.3.5 S-曲線減速部分寄存器R15 42

4.3.6 加/減速時(shí)間 43

4.3.7 自動(dòng)降速點(diǎn) 43

4.4 輸出脈沖產(chǎn)生電路模塊 46

4.4.1 加/減速控制電路 47

4.4.2 變頻分配電路 49

4.4.3 倍率分頻電路 50

4.5 編碼器模塊設(shè)計(jì) 50

4.6 計(jì)數(shù)器模塊電路 52

4.6.1 預(yù)置計(jì)數(shù)器 52

4.6.2 自動(dòng)降速點(diǎn)計(jì)數(shù)器 52

4.6.3 當(dāng)前位置計(jì)數(shù)器 54

4.7 操作模式模塊 54

4.7.1 連續(xù)模式 55

4.7.2 預(yù)置模式 56

4.7.3 回零模式 56

5 基于PCI的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的系統(tǒng)測(cè)試 59

5.1 PCI與CPLD的數(shù)據(jù)交換 59

5.1.1 運(yùn)動(dòng)控制芯片內(nèi)的地址空間 59

5.1.2 PC機(jī)對(duì)寄存器的讀寫操作 60

5.2 CPLD與FPGA的數(shù)據(jù)交換 61

5.2.1 FPGA內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制模塊的內(nèi)部寄存器 61

5.2.2 運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫 61

5.2.3 運(yùn)動(dòng)控制卡功能測(cè)試 64

5.3 全數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量在本卡中的實(shí)現(xiàn) 65

5.3.1 前言 65

5.3.2 M/T轉(zhuǎn)速測(cè)量法工作原理 66

5.3.3 全數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 67

5.3.4 運(yùn)行結(jié)果與誤差分析 69

6 全文總結(jié)與展望 70

6.1 全文總結(jié) 70

6.2 研究展望 70

參考文獻(xiàn) 72

聲 明

致 謝