基于ARM FPGA可编程网络型四轴运动控制卡的设计与实现

摘要

目前运动控制卡多使用PCI或ISA接口将其嵌入到PC中,即使整个运动控制系统仅使用极少的PC资源也必须为其配备一台PC机,未使用的PC资源不但造成浪费,也不利于系统小型化。同时由于运动控制开发往往需要开发人员具有较为丰富的运动控制,机械等领域的专业知识,因此亟需一个易于二次开发的通用可编程开发平台来减轻开发的难度。
　　基于上述两点,该课题通过对运动控制系统的组成以及一些常用功能需求进行分析,设计出了基于以太网接口的可编程网络型运动控制卡。
　　运动控制卡的硬件部分采用ARM+FPGA结构,使用以太网接口进行数据传输。一般运动控制系统除了运动执行部件外还具有继电器、指示灯、按钮等外设需要控制,为满足这些需求,板卡提供可编程输入输出接口,开发人员可以根据实际系统需求给出对这些外设进行控制的实现函数,由软件框架自行回调。板卡上还设计有两个串口以及一个USB接口方便日后对系统进行外扩的需求。
　　该课题的可编程开发平台由软件框架,辅助开发软件,Keil集成开发环境,库函数组成。软件框架采用分层多任务结构,使用回调机制实现用户接口层,开发人员不需对复杂的软件框架进行学习,只需提供框架所需的与系统应用相关的函数即可。辅助开发软件负责对轨迹数据的预处理,网络通信,以及资源的配置等任务,同时提供了系统调试所需的调试功能,在编译之前Keil自动调用该软件帮助开发人员以直观的方式完成对资源的配置。库函数则是为方便开发人员编写系统应用而对底层资源操作进行封装的接口,开发人员也可以在软件框架的基础上使用自己实现的函数作为库的补充。
　　算法部分首先对轨迹数据进行前瞻预处理,再按照S型速度曲线规律,进行加减速控制和脉冲分配,将预处理后的数据送入FPGA执行DDA插补算法获得驱动电机驱动器的方向脉冲信号。
　　论文将分7个章节对上述过程进行详细介绍,并给出了该运动控制卡的功能测试,为后续的深入研究奠定了基础。

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目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.1 国内外的研究现状和发展趋势

1.2 研究内容和论文结构

第2章 运动控制卡控制方案选择与整体介绍

2.1 运动控制系统的组成

2.1 运动控制方案的比较与选择

2.1 系统整体结构

2.1 本章小结

第3章 运动控制卡的硬件实现

3.1 硬件组成概述

3.1 硬件功能模块的实现

3.1 运动控制卡硬件实物

3.2 本章小结

第4章 运动控制卡可编程开发平台的实现

4.1 软件框架的设计与实现

4.2 辅助开发软件介绍

4.3 运动控制函数库

4.1 开发平台搭建

4.1 本章小结

第5章 运动控制卡网络及USB通信的实现

5.1 运动控制卡以太网通信的实现

5.2 运动控制卡USB通信的实现

5.3 本章小结

第6章 运动控制算法实现

6.1 轨迹数据获取

6.2 预处理算法

6.3 数字积分插补算法

6.4 本章小结

第7章 可编程运动控制卡功能测试

7.1 测试平台介绍

7.2 运动控制软件的开发

7.3 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 全文展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果