基于Cortex-A8的嵌入式光栅尺测试平台硬件开发

摘要

光栅尺是一种用于精密检测的传感器，普遍用于数控机床全闭环控制检测。目前市场上对光栅尺数据进行显示分析的通常采用光栅尺测量仪表和数据采集装置，核心技术被国外公司垄断，价格昂贵，难以普及到中小型企业。所以，实现低成本、操作便捷的光栅尺测试平台就具有十分重要的现实意义。本文针对以上需求，研究开发了一种基于Cortex-A8的嵌入式光栅尺测试硬件平台。本文的主要内容有：
　　首先，研究了主流光栅尺数据采集装置的发展现状，以及光栅尺总线的发展趋势，介绍了目前常用的工业总线传输协议，通过对比，展示了Biss协议的优点。结合上位机的特点，以及工业现场的特点，选择RS485作为采集装置与存储系统之间实时数据传输的方式。
　　根据设计需求，选取Altera的Cyclone II代FPGA芯片作为采集装置的主芯片，完成了指令脉冲、编码器和光栅尺数据接收部分的电路图设计，完成了 FPGA外围电路设计，电源设计；以 TI公司的高性能处理器 AM335x作为存储系统的主芯片，完成了 USB接口的移动硬盘接口电路；硬件电路设计过程中，充分考虑到电磁兼容性和信号完整性的设计原则，对PCB的布局布线进行了合理的设计。
　　利用 VHDL语言，在采集装置和存储系统上分别实现了 RS485协议的从站和主站，在采集装置上实现了Biss协议，设计了脉冲和编码器计数模块，并对各子模块的功能进行了测试。此外，介绍了 FPGA读取 ARM内存的方式，采用环形缓冲区，设计了移动硬盘自动挂载到 Linux系统和自动创建文件写入数据的方案，最终测试表明，移动硬盘可以成功挂载，并实现文件的创建和数据写入操作。
　　文章的最后对系统进行了测试，用运动控制器作为脉冲发送端，光栅尺固定到机床上，将采集到的数据从移动硬盘取出，用自制的数据分析软件进行了绘图，并分析了系统的稳定性和实时性，结果表明，本平台能够完成数据的实时采集存储功能。

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1. 绪论

1.1课题来源、研究背景与意义

1.2研究现状与发展趋势

1.3论文的研究内容

2. 基于Cortex-A8的光栅尺测试硬件平台总体方案

2.1需求分析

2.2系统设计指标

2.3系统总体方案设计

2.4本章小结

3. 基于Cortex-A8的光栅尺测试硬件平台开发

3.1采集装置电路设计

3.2存储系统电路设计

3.3硬件可靠性设计

3.4本章小结

4. 固件程序开发

4.1 FPGA与ARM通信固件程序开发

4.2 Biss协议模块固件程序开发

4.3 RS485通讯协议固件程序开发

4.4移动硬盘数据存储的实现

4.5本章小结

5. 基于Cortex-A8的光栅尺测试硬件平台测试

5.1系统硬件测试平台搭建

5.2功能测试

5.3实时性测试

5.4本章小结

6. 总结与展望

6.1全文总结

6.2全文展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文