基于CMC的芯片级运动控制系统的设计与实现

摘要

运动控制技术在数控技术领域、机器人领域，以及工业控制领域都发挥着不可或缺的作用。现阶段的运动控制系统主要有三种形式:基于计算机标准总线的运动控制系统、Soft型开放式运动控制系统、嵌入式结构的运动控制系统。上述三种运动控制系统以其各自在开放性、稳定性和精确性等方面的优点，都为运动控制技术的发展与进步作出了很大的贡献。然而，这些运动控制系统在成本、功耗以及集成度等方面已经不能很好的满足现阶段科技发展的需要。
　　本文基于对片上控制系统的深入研究，提出了一种基于片上控制模块CMC的芯片级运动控制系统，将运动控制处理器MCP以IP核的形式通过AHB接口挂接在AMBA总线上，实现了运动控制模块与中央管理单元、输入输出模块以及通信模块等集成在一块芯片上，大幅度降低了系统的复杂度和成本，降低了技术门槛。
　　本文以模块化设计的思想设计了运动控制处理器MCP的结构。MCP既可以作为主设备主动读取指令执行，又可以作为从设备被中央管理单元通过读写寄存器的方式操作，执行模式选择模块负责对这两种方式进行选择，并且设计了MCP的AHB主接口和AHB从接口来支持这两种执行模式。本文所设计的MCP既支持多轴联动又支持单轴控制。其中多轴联动采用数字积分算法实现插补功能，并且使用左移规格化和半加载技术提高了插补速度的稳定性和插补精度;单轴控制通过直接对寄存器的操作而实现。为了实现进给速度和加减速控制，采用了7段式S曲线加减速控制算法。MCP还可以处理外部的暂停、急停、开始、到位、报警、越限等中断。本文还设计了基于实时操作系统μC/OS-Ⅱ的基础支撑软件平台，其运行于片上控制模块CMC用以提供对组态数据的管理和MCP任务调度的管理，并且以固化功能块的形式提供了操作单轴控制寄存器的接口。
　　本文从仿真测试和平台实验两个方面对基于CMC的芯片级运动控制系统进行验证。验证结果表明，该系统能很好地满足运动控制要求。因此，基于CMC的芯片级运动控制系统不仅能达到系统的设计目标，还在复杂度、成本和集成度等方面有很大优势。

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致谢

摘要

图目录

表目录

缩略语对照表

第1章 绪论

1．1 课题来源、背景及研究意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题背景

1．1．3 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要内容及章节安排

第2章 运动控制系统总体设计方案

2．1 系统设计需求

2．2 系统总体设计方案

2．2．1 系统总体架构

2．2．2 中央处理单元IP核

2．3 系统关键技术阐述

2．3．1 运动控制处理器IP核设计

2．3．2 基础支撑软件平台

2．4 本章小结

第3章 运动控制处理器IP核硬件设计

3．1 运动控制处理器MCP设计方案

3．2 运动控制处理器MCP的工作方式

3．3 运动控制处理器MCP总线接口设计

3．4 执行模式选择模块设计

3．4．1 寄存器命令控制

3．4．2 自动取指令执行

3．5 指令自动读取模块设计

3．5．1 指令Cache

3．5．2 指令自动读取

3．6 多轴联动控制模块设计

3．6．1 插补状态机设计

3．6．2 直线插补

3．6．3 圆弧插补

3．7 单轴控制模块设计

3．8 进给速度及加减速控制模块设计

3．9 中断处理模块设计

3．9．1 与中断控制器相连方式

3．9．2 中断输入

3．9．3 中断输出

3．10 本章小结

第4章 运动控制系统基础支撑软件平台设计

4．1 基础支撑软件平台体系结构

4．2 实时操作系统及其任务设计

4．2．1 实时操作系统μC／OS-Ⅱ

4．2．2 任务设计

4．3 组态数据的管理

4．3．1 完整分包的接收

4．3．2 完整报文的接收

4．3．3 组态服务处理

4．4 运动控制多任务调度管理

4．4．1 映射区及映射变量定义

4．4．2 MCP任务调度规则

4．5 本章小结

第5章 系统仿真测试与平台实验

5．1 系统仿真测试

5．1．1 直线插补仿真测试

5．1．2 圆弧插补仿真测试

5．2 系统平台实验

5．2．1 实验平台

5．2．2 实验结果及其分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介