（检测技术与自动化装置专业论文）ip核技术在运动控制中的应用研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 随着通用运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化 控制类产品，已广泛应用在制造、信息、运输、包装、储存、销售、测试、航空、航天、 国防等产品当中比较分析运动控制器与微电子技术的发展可以看出，徽电子学的发展 是运动控制技术发展的强大技术推动力因此，将i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核等 最新的微电子技术引入到运动控制器的研究当中具有重要的现实意义 针对这种情况和相关研究项目的自身特点，本课题提出了基于i p 核技术的运动控 制器的设计方案该方案依照自顶向下( t o p 一- d o w n ) 的设计思想，在推导出空间曲线 数字积分插补算法的基础上，对所设计的运动控制器i p 软核分模块进行开发和测试， 最后综合生成符合要求的运动控制器i p 软核设计的i p 软核可以实现以下功能；空 间直线、圆弧、螺旋线的插补运算功能；三轴联动、三轴控制任意两轴联动的插补控 制；最高插补运算速度可以达到5 x 1 0 5 次秒；误差小于一个插补当量；具有与 微处理器的接口，接口数据宽度可选择为8 位、1 6 位，3 2 位其中之一本课题在i p 核 技术设计方法的指导下，在易于使用硬件描述语言实现、易于综合、易于测试的原则指 导下主要做了以下研究工作：首先，推导了空阃直线、圆弧、螺旋线的数字积分插补算 法，并采用姒t l b 对算法进行了验证；其次，对所设计的运动控制器i p 软核进行了模 块划分，并采用y e r i l o g 皿l 语言，在q u a r t u s1 1 5 0 平台下对所划分的时序信号发生 器模块、存储模块、算术逻辑运算模块、基于状态机原理的控制器模块进行了设计和开 发；最后，分别针对q u a r t u s1 1 5 0 平台和e p f i o k 5 0 r c 2 4 0 - 3 器件，验证了所开发的运 动控制器i p 软核的性能及功效，同时也论证了理论分析的正确性和设计方法的合理性 本课题设计的运动控制器i p 软核，不仅可以用于传统的开环运动控制系统的技术 改造，还可以通过改变算法和接口应用于全数字型的闭环伺服运动控制系统中该设计 方案与传统的n c 硬件插补运动控制方案相比。设计的运动控制器具有体积小、功耗低、 精度高、可靠性和抗干扰能力强等优点；与现有的c n c 软件插补运动控制方案相比，又 具有速度快、实时性好、可靠性高等优点，是将i p 核技术应用到运动控制器研究中的 一个有益尝试 关键诃：运动控制器；i p 核；插补；数字积分法；自顶向下；可编程逻辑器件 桂林工学院硕士学位论文 a l o n gw i t ht h ea d v a n c e m e n ta n dc o n s u m m a t i o no ft h eg e n e r a lm o t i o nc o n t r o l t e c h n i q u e , t h em o t i o nc o n 吐o h e ra sa l li n d e p e n d e n ti n d u s t r i a la u t o m a t i cc o n t r o lp r o d u c t , i s w i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t so fm a n u f a c t u r e 、i n f o r m a t i o n 、t r a n s p o r t a t i o n 、p a c k i n g 蜘3 r a g e s a l e 、t e s t 、a v i a t i o n 、a s t r o n a u t i c s 、n a t i o n a ld e f e n s ea n do t h e rf i e l d s c o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h em i c r o e l e c t m n i c s , w ec a ns t h a tt h e d e v e l o p m e n to ft h em i a r o e l c c 呦i c sd r i v e st h et h cd e v e l o p m e n to ft h em o t i o nc o n t r o l l e r l a r g e l y t h e r e f o r e , i m t i n gt h ei p a n do t h e r 晒o b n i q 嘴i n t ot h e 螨c a r 吐i n go f t h em o t i o n c o n t r o l l e rh a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nv i e wo ft h i sk i n do fs i t u a t i o na n dt h er a l a t e dp r o j e c t sc h a r a c t e r i s t i c , t h i st o p i cp u t s f o r w a r dt h ed e s i g no ft h em o t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nt h ei p t e c h n q u c a c o o r d i n gt ot h e t h i n k i n go ft h et o p d o w n , i nt h eb a s eo ft h ei n f e r i n gt h eq r a t i a lc n l v 岱, sd d aa r i t h m e t i c , 髓i sp l a nd e s i g n s 、t e s t sa n ds y n t h e s i z e st h em o t i o nc o n t r o l l e r ss o f t 口w h i c hi sd i v i d e d b yt h ed e s i g n e r , t oa 略缸t h em o t i o nc o o t r o l l e r ss o f ti po o i e t h i ss o f ti pc o l ec a br e a l i z e t h o s ef u n c t i o n s 勰b e l o w ：g y l l i es p a t i a ll i n e s 、d i c l c ，sa n d s p i r a l si n t e r p o l a t i o nf u n c t i o n ；f g ) 3 - a x i ss i m u l t a n e o n s - m o t i o n e d 、3 - a x i sc o n t r o lt w oa x i ss i m u l t a n e o n s - m o t i o n e d ；( 耍y i i p t o p i n t e r p o l a t i o no p e r a t i o ns p e e d = 5x1 0 c c s e c o n d ；n c 黜l e s s t h a nap u l s c ； h a st h e c o n n e c t i o nw i t ht h em i c r o p r o c e s s o r , t h ec o n n e c t i o nd a t aw i d t hm a yc h o o s e8 、1 6 、3 2 i nt h e g u i d a n c eo ft h e1 1 c o l et e c h n i q u e sa n du n d e rt h ep r i n c i p l eo fd e s i g n i n gb yt h eh a i - d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e 、s y n t h e s i z e 、t e s te a s i l y , 儆t o p i cd o e st h o s er e s e a r c hw o r ka s b e l o w ：f i r s t l y , h a si n f e r e dt h es p a t i a ll i n e s 、c i r c l e sa n ds p i r a l sd d a i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c a n dt e s t e dt h ea r i t h m e t i cu s i n gt h em a t l a b ；s e c o n m y , h u sd i v i d e dt h es o f ti pc o r ei n t o s e v e r a lm o d u l e s ，a n dd e s i g n e d 、d e v e l o p e dt h es i g n a lg e n e r a t i n gd e v i c em o d u l e 、t h em e m o r y m o d u l e 、t h ea r i t h m e t i cl o g i co p e r a t i o nm o d u l e 、c o n t r o l l e rm o d u l eb a s e d0 1 1t h ec o n d i t i o n m a c h i n ep r i n c i p l e , w h i c hw e r ed i v i d e d , u s i n gv e r i i o gh d l l a n g u a g e , u n d e rt h eo u a r t u s 5 0 p l a t f o r m ；f i n a l l y , r e s p e c t i v e l ya i m i n ga tq i 埘t 吣h 5 0p l a t f o r ma n dt h ee p l 疆凶0 r q 4 m 3 d e v i c e s , h a sv e r i f i e dt h em o t i o nc o n t r o l l e rs o f t 珥c o r e ，sp e r f o r m a n c ea n de f f e c t i v e n e s s w h i c hd e v e l o p s , a n dd e m o n s t r a t e dt h ec o r r e c u l e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g n i n gm e t h o d o l o g y n cm o t i o nc o n t r o l l e rs o f ti po d l ew h i c hi sd e s i g n e d , n o to n l y 锄b eu s e df o rt h e t r a d i t i o n a lo p e n 1 0 0 pm o t i o nc o n t r o ls y s t e m s t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n s , b u ra l s oc a nb e a p p l i e dt od i g i t a li n t e r f a c ea n dc l o s e d - 1 0 0 ps e r v o c o n t r o l l e ds y s t e mb yc h a n g i n gt h ea l g d f i t h m c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ln ch a r d w a r ei n t e r p o l a t i o nm o v e m e n tc o n t r o l l e rp l a n , t h e c o n t r o l l e rd e s i g n e db yt h i sp r o p o s a li ss m a l l e ri ns i z e 、l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g h p r e c i s i o n 、h i g hr e f i a b i l i t y 、h i g ha n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t i e s , a n do t h e rm e r i t s ；c o m p a r e dw i t h t h ec n cs o f t w a r ei n t e r p o l a t i o nm o v e m e n tc o n t r o l l e rp l a n , t h i sc o n t r o l l e ra l s oh a st h eh i g h s p e e d 、h i g hr e a l - t i m e 、h i g hr e l i a b i l l t y a n d o t h e r m e r i t s 。i t s a n u s e f u la t t e m p t t o p u t t h e i i c o r e t e c h n i q u ei n t ot h em o t i o nc o n t r o l l e r sr e s e a r c h k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l l e r ；, i pc o r e ；i n t e r p o l a t i o n ；d d a ；t o p - d o w n ；p l d 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在蒋存波副教授指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论 文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) 逞金 签字日期：2 2 2 z ：五! ! l 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交 学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前 提下，学校可以公布论文的部分或全部内容( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：法企 指导教师签字：芏笔丘鱼汇! ：堡左_ 签字日期：2 翌z ：! ! l 桂林工学院硕士学位论文 第1 章序论 【内容提要】本章综述了本课题的课题来源、课题意义，简要的介绍了i p 核技术、 运动控制器等相关技术的应用研究现状和发展趋势，阐述了本课题将要研究的主要内 容、创新点以及可行性分析，最后对论文的安捧情况进行了说明 1 1 课题来源、项目名称 本课题来源于广西科技攻关项目：( 1 ) 。多维数控系统”( 桂科攻0 3 3 0 0 0 5 - - 1 2 ) = ( 2 ) “c n c 精密成型磨舰装置数控系统研制”( 桂科攻0 2 3 5 0 0 9 - 5 ) l ( 3 ) “特种罐体焊接机人 工智能多维控制系统研究”( 桂科攻0 4 2 8 0 0 7 - 9 ) 项目名称：i p 核技术在运动控制中的应用研究 1 2 课题意义 运动控制( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 通常是指在复杂条件下，对机械运动部件的位置、速度 等进行实时的控制管理，使其按照预定的运动轨迹和规定的运动参数进行运动0 1 早期 的运动控制技术主要是伴随着军事技术以及工业控制技术发展而发展的，它广泛使用在 数控( c n c ) 技术、机器人技术( r o b o t i c s ) 和工厂自动化技术等领域近年来随着通 用运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产 品，已广泛应用在靠4 造、信息、运输、包装、储存、销售、测试、航空、航天、国防等 产品当中，并已达到一个令人瞩目的市场规模，因此研究和掌握这一技术就显得极为重 要 回顾运动控制器的发展：从麻省理工学院研制的第一台电子管专用数控系统到如今 的基于p c 机的开放式运动控制系统，。并将其与微电子学的发展进行对比( 如图1 1 ) ， 可以看出，运动控制器的发展基本上是随着微电子学的发展而发展的，微电子学的发展 是运动控制技术发展的强大技术推动力针对我国制造业的现状，急需。通过信息化促 进结构调整，用信息化推动产品结构、产业结构、技术结构和区域结构的调整”，所 以，将最新的微电子技术引入到运动控制技术的研究中，具有重要的战略意义 目前，运动控制器正向开放式、智能化、网络化、可重构等方向方展，而微电 子已进入片上系统设计时代嘲如何将这一最新的微电子技术应用到运动控制器的研究 和开发中，满足运动控制器新的发展要求，是一个值得研究的课题 从其工程应用前景来看，开展本项研究也很有价值本项目所开发的基于i p 核技 术的运动控制器既可以采用半定制的方法，用可编程逻辑器件来具体实现，开发控制板 1 桂林工学院硕士学位论文 卡；也可以在此基础上进一步研究和开发，逐步走向全定制，最终研制出专门的芯片 这两方面的成果都很有应用推广价值，也必然会带来巨大的商机 图1 i 运动控翻技术与微电子学发展对照图 i 3 与课题相关的主要技术背景 1 3 ii p 核技术及其应用研究现状 在一般含义下，i p 所指的知识产权的意思是通过劬造性工作而形成的任何非有形 的财产或财富，如：专利、版权和技术诀窍等等在本论文中，i p 指的是电子行业中的 一种设计技术，可定义成在电子设计中预先开发完成的用于系统芯片设计的可复用构 件之所以仍然沿用i p 的说法，是因为i p 代表的是一种知识产权( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) m ，它的使用需要i p 的开发者授权 i p 核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 三级不同程 度的设计，对应描述功能行为的不同分为三类，即软核( s o f ti pc o r e ) 、完成结构描 述的固核( f i r ei fc o r e ) 和基于物理描述并经过工艺验证的硬核( h a r di pc o r e ) 三 种埘。 ( 1 ) i p 软核通常是用硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g em l ) 文 本形式提交给用户，它经过r t l 级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理 信息，软核可由用户修改，以实现所需要的电路系统它的灵活性最大，但是这种灵活 性的代价是：无法获得目标电路的性能和面积的保证 2 桂林工学院硕士学位论文 ( 2 ) i p 硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并 已经过工艺验证，具有可保证的性能用户得到的硬核仅是产品功能而不是产品设计， 因此硬核的设计制造厂商能对它实行全权控制，知识产权的保护也较简单其缺点是灵 活性和可移植性差 ( 3 ) i p 固核的设计程度是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还 完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节一般以门级电路网表的形式提供给用户” i 耵 i c 设计中采用i p 复用可以缩短产品的开发周期，提高产品的可靠性全球i p 核 市场目前处于快速成长的阶段，从1 9 9 9 年到2 0 0 4 年的增长率高达4 3 2 0 0 1 年全球 i p 核市场规模达8 9 亿美元，较2 0 0 0 年的7 1 亿美元增长了2 5 在十大i p 供应商 捧行中， 髓、r a m b u s 和m i p s 居前三位为了保护i p 核的开发者与使用者，同时建立 良好的i p 核技术基础，全球各界已筹备了许多策略联盟，如e i t a 联盟、r a p i d 联盟、 v c x 联盟与v s i a 联盟等，来积极推动i p 核的开发、应用及推广 在国外，从i p 的设计和使用情况来看，i p 核在 s i c 和现场可编程门阵列f p g a 中 使用较多，如：a l t e r a 的6 5 0 2 八位微处理器和x i l i n x 的p c i 核在国内，i p 的概念己 经被采纳和利用并逐步在更高的设计层次上开展设计工作如：移动通信产品、数字电 视、机顶盒等我国新一代信息产品中的关键芯片m ， 1 3 2 运动控制器及其研究现状 运动控制器( m o t i o nc o n t r o l l e r 简称瓶) 是指通过对由电机驱动的执行机构进行 运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置嘲，其示意图如图1 2 所示 图1 2 由运动控制器组成的用户控翻系统示意图 可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器，它以其特有的灵活性和 优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发出勃勃生机。随着自动化技术的进一 3 桂林工学院硕士学位论文 步发展，运动控制器( 步进、交流，直流) 的应用已走出机械加工行业，越来越多地应 用于其它工业自动化设备控制如电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业 。p c + 运动控制器”作为其中一个发展方向，由于p c 丰富的资源( 人、工具、软件、 硬件) ，其发展受到特别关注，发展速度很快它不仅具有信息处理能力强、开放程度 高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的 柔性和应付市场需求的能力美国将其称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三 次工业革命，并预测其应用将和现在的p l c 一样普遍咖 以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期，有利于使 用者开发自己的产品目前行业内实用的运动控制器方案可分为如下三大类咖： ( 1 ) 以单片机或微处理器作为核心的运动控制器 该方案一般以8 0 3 1 、8 0 6 l 、8 0 等单片机作为核心部件加上存储嚣、编码器信号 处理电路、叭转换电路、通信接口电路等构成运动控锯器 此类运动控制器采用元件较多、尺寸较大、可靠性较差、控制参数不易改变。受单 片机输入输出通道数和运算速度的限制，这类控制卡一般只能控错1 2 轴，而且由于 卡上r o m 容量的限制，控制程序不能太大，不能采用较为复杂的控制算法，不适用于高 精度、高速度控制场合目前在国内主要用于经济型数控系统以及旧机床的改造 ( 2 ) 以专用芯片( s i c ) 作为核心处理器的运动控制器 此类芯片有日本v a 公司产的m c x 系列，美国t i 公司生产的u 1 6 2 9 、肝公司的 h c p l l l 0 0 等该方案采用一块芯片就可完成p i d 控制算法、编码器信号的处理等多种 功能，具有响应速度快、集成度高、使用元件少、可靠性好等优点，并且其硬软件的配 置具有一定的灵活性，同时专用控制芯片价格相对便宜，进一步降低了最终系统的成本， 因此具有比较广的应用前景 但是，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，这样一来圆弧插补的精 度不高此外受限于芯片的功能，开发者无法弓l 入复杂的控制和插补算法，因此，此类 控制器多用于直线运动和圆弧运动 ( 3 ) 以d s p 和f p g a c p l d ( 现场可编程门阵列复杂可编程逻辑器件) 作为核心处 理器的开放式运动控制器 现在我国市场上存在的该类运动控制处理器种类很多，一类是引进产品，如美国 p m a c 、香港固高，台湾凌华等国内有些公司也生产了多种类型的控制器，如成都步进 机电公司、北京博实精密公司、哈尔滨工业大学机器人研究所等 这类开放式运动控制器以d s p 和f p g a 芯片作为运动控制器的核心处理器，充分利 用了d s p 的高速数据处理功能和f p g a 的超强逻辑处理能力，构成了一种高精度、高速 度、多轴控制、体积小、集成度高，目标系统升级容易、扩展性、维护性都很好的运动 控制系统，便于运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定 4 桂林工学院硕士学位论文 制，形成独特的产品。 通过上述分析可以看出。，运动控制器利用电子技术、计算机技术的最新成果，正在 向高开放性、高可靠性和高速、高精度的方向发展而f p g c p l d 等新型器件由于具 备硬件动态设计、编程的功能，正被逐步应用于运动控制器的设计中 其中：( 1 ) 西北工业大学的阎金栋、卢健康采用e d 技术对平面插补数控系统中的 直线、圆弧两种曲线进行了设计方法方面的探讨研究； ( 2 ) 浙江大学的秦兴、王子文、陈子辰探讨了数控系统实时i p 软核的设计方法， 并针对平面圆弧讨论了扩展d d a 插补算法的微处理器寄存器模型和i p 软核的开发过程； ( 3 ) 南京航空航天大学的刘洪泳、赵东标采用w 7 7 e 5 8 为主控制器和a l t e r a 公司 的c p l d 设计完成了i s a 总线的运动控制卡，并根据有限状态机的原理利用c p l d 设计完 成d d a 硬插补； ( 4 ) 电子科技大学的黄大贵、王运选择了d s p + c p l d + i s 的硬件实现形式，对 最小偏差法与数字积分法的具体实现程序进行了改进，论述了上述插补算法在d s p 中 的软件实现，提出了一种利用硬件同步定时器实现的高速直线插补方法； ( 5 ) 福州大学的刘春艳、薛昭武提出了一种以数字信号处理器( d s p ) 为控制核心， 辅以大规模可编程逻辑器件( c p l d ) 的开放式可编程运动控制器的初步设计方案； ( 6 ) 西安科技大学的张宝泉、杨世兴提出了采用d s p + f p g 为核心设计运动控制 器的方案，其中采用d s p 来实现复杂的速度控制算法，而将大量的逻辑控制功能和外 围接口电路集成在f l e a 中； ( 7 ) 南京汽车制造厂的王进讨论了数控系统轨迹控制的插补方法一比较积分法， 并且提供了一种较为精确、实用的插补流程图； ( 8 ) 东南大学的李宏胜、李少清提出了一种采用数据采样插补算法进行粗插补， 使用c p l d 进行精插补计算的设计方案； ( 9 ) 北京科技大学的崔桂梅对数控车床中的直线插补器探讨了采用c p l d 实现的方 法； ( 1 0 ) 深圳爱默生公司的周保廷、哈尔滨工业大学的王柏军探讨了基于f p ( ；a 的数 字积分法圆弧插补器的实现方法 上述研究者的研究成果，为本课题的研究提供了相当大的理论基础和设计指导，但 是，他们主要是针对平面曲线插补轨迹( 平面直线、圆弧) 的研究设计，并没有针对常 见的空间曲线( 如空间直线、圆弧、螺旋线) 进行设计方法的讨论，而且一旦涉及复杂 的运动算法往往采用d s p 来完成( c p l d f p g a 做为辅助) 因此，本课题主要针对这一 方向，采用i p 核技术来设计运动控制器 5 桂林工学院硕士学位论文 1 4 本课题的主要研究内容、创新点及可行性分析 1 4 1 本课题的主要研究内容 本课题依托广西区科技攻关项目。多维数控系统”( 桂科攻0 3 3 0 0 0 5 - 1 2 ) 、。c n c 精密 成型磨削装置数控系统研制( 桂科攻0 2 3 5 0 0 9 - 5 ) 、“特种罐体焊接机人工智能多维控制 系统研究”( 桂科攻0 4 2 8 0 0 7 - - 9 ) 进行结合i p 核技术和高性能运动控制系统的发展要求， 主要研究以下几方面的问题： ( 1 ) 基于i p 核技术的数字系统硬件设计方法，以及运用在运动控制系统当中的必要 性和可能性； ( 2 ) 对所要实现的运动控制轨迹；空闯直线、圆弧、螺旋线进行插补基本原理的研 究； ( 3 在插补基本原理的基础上，进一步推导易于使用硬件描述语言实现的空问直线、 圆弧、螺旋线的高精度插补算法，并进行算法验证； ( 4 ) 依照自项向下( t o p - d o ) 的设计思想，针对运动控制器的实时性问题，提 出了采用i p 核技术开发运动控制器实时内核，并在已推导出的插补算法的基础上，完成 运动控制器的i p 核模块划分； ( 5 ) 利用硬件描述语言设计已划分的各个i p 核模块，并完成模块的综合； ( 6 ) 对i p 核模块进行测试方法的研究，并针对设计好的i p 软核完成功能测试，以及 对测试结果进行分析 1 4 2 本课题的创新点及可行性分析 本课题是将1 p 核技术等新的微电子技术应用到运动控制器研究中的尝试，探讨了易 于使用硬件描述语言实现的三维运动轨迹的控制算法、并利用硬件描述语言在大规模可 编程器件c p l d f p g 上实现的方法 基于以下原因，笔者想要研究的课题是有一定可行性的： ( 1 ) 运动控制算法的基本原理已经成熟，为本课题的研究提供了理论支持。 ( 2 ) 徽电子工业的发展，可以提供所需要的大规模可编程器件 ( 3 ) 开发工具的发展为本项目的研究提供了基础工具 6 桂林工学院硕士学位论文 1 5 论文安排 根据需要，本课题论文章节安捧如下： 第一章：综述了本课题的课题来源、课题意义，简要的介绍了i p 核技术、运动控 制器等相关技术的应用研究现状和发展趋势，阐述了本课题将要研究的主要内容、创新 点以及可行性分析，最后对论文的安捧情况进行了说明 第二章：主要完成了系统整体方案的分析和设计首先对系统所要求的功能要求、 技术性能进行了说明，并对传统的数字系统硬件设计方法进行了阐述；接着对i p 核技 术开发过程中的自顶向下的设计方法、软硬件协同设计等若干关键技术以及采用的硬件 描述语言和主要使用的开发工具( e d a 开发工具q l a r t u s1 1 5 0 平台和可编程逻辑 器件) 进行了介绍，并在此基础上提出了本论文的主要设计方案。 第三章：主要完成空阃插补算法的设计与验证针对空闯直线、圆弧、螺旋线三种 运动轨迹，按照设计指标的要求，首先对所选择的插补算法数字积分法( d d a ) 的 基本原理进行分析l 接着本着易于使用硬件描述语言实现、易于综合的原则对其基本原 理进行了进一步地推导和算法设计；最后对所设计的算法使用i i a t i a b 进行验证和分析， 判断是否达到指标要求 第四章：主要介绍运动控制器i p 软核模块的具体开发过程针对运动控制器的实 时性阔题，提出了采用i p 核技术开发运动控制器实时内核；并在第三章已推导出的插 补算法的基础上在q u a r t u s1 1 5 0 平台下，把要设计的运动控制i p 软核划分为时序 信号发生器模块、存储模块、算术逻辑运算模块、基于状态机原理的控常4 器模块；并采 用v e r i l o gh d l 语言对所划分的运动控制器i p 核进行设计和开发：最后针对具体的c p l d 芯片进行了逻辑综合 第五章：主要介绍运动控制器i p 软核的测试首先针对本论文的设计指标提出了 需要测试的内容；接着针对q u a r t u si i 平台进行了i p 软核测试方法的研究。对开发好 的运动控制器i p 软核进行了仿真测试与测试结果比较分析；在电路测试阶段，也进行 了i p 软核测试方法的研究，并设计了测试i p 软核的软，硬件平台，然后针对具体的 c p l d 芯片进行功能测试 第六章：对全文的研究进行了总结，并提出了本课题研究值得进一步深入探讨之处 7 桂林工学院硕士学位论文 第2 章系统方案分析与设计 【内容提要】主要完成了系统整体方案的分析和设计首先对系统所要求的功能要 求、技术性能进行了说明，并对传统的数字系统硬件设计方法进行了阐述；接着对i p 核技术开发过程中的自顶向下的设计方法、软硬件协同设计等若干关键技术以及采用的 硬件描述语言和主要使用的开发工具( e d a 开发工具q l 培r t u s1 1 5 0 平台和可编程 逻辑器件) 进行了介绍，并在此基础上提出了本论文的主要设计方案 2 1 系统的功能要求及技术性能 本课题自辱任务是基于i p 核技术的数字系统设计方法，根据指标要求完成运动控制 器的i p 软核设计该运动控制器i p 软核应具有直线、圆弧、螺旋线等空问轨迹的插补 控制功能根据上述原则，本项目拟定了具体的设计目标： ( 1 ) 具有与微处理器的接口，接收微处理器的轨迹运动命令，并向微处理器传送进 给过程的相关数据接口数据宽度可选择为8 位、1 6 位、3 2 位其中之一； ( 2 ) 运动控制器i p 软核进行插补运算，输出各个轴的进给脉冲和方向控制信号； ( 3 ) 可以进行三轴联动、三轴控制任意两轴联动的插补控锚； ( 4 ) 插补精度满足误差小于一个插补当量； ( 5 ) 最高插补运算速度：5 x l o 次秒； ( 6 ) 预留编码器接口( 暂不实现) 2 2 传统的运动控制器设计方法比较 从1 9 5 2 年世界上第一台数控机床样机的诞生至今，随着电子技术和计算机技术的 不断发展，运动控制系统的实现主要经历三种方案形式：传统的硬件插补方案、计算机 软件插补方案以及采用软硬件配合的两级插补方案下面简单介绍一下它们各自的优 缺点。 ( 1 ) 传统的硬件插补方案( 又称n c 插补) 这种方案主要出现在早期的数控机床系统中，如1 9 5 2 年世界上第一台数控机床的 控制系统全部采用电子管元件实现；1 9 5 9 年，由于晶体管元件的出现，数控系统中广 泛采用晶体管和印刷电路板；从1 9 6 5 年开始，数控系统中又逐步采用一些小规模的集 成电路来实现其各种控制功能 总之，这一阶段数控系统的共同之处就是全部采用专用硬件线路完成包括插补在内 的各种控制任务。由于其采用的都是各种分立元件和小规模集成电路，造成整个系统体 8 桂林工学院硕士学位论文 积庞大、可靠性差、设计线路复杂，只有少数人能够掌握，特别不利于设备的维护和升 级 。 ( 2 ) 计算机软件插补方案( 又称c n c 或m n c 插补) 7 0 年代，由于计算机技术的不断发展，市场出现了各种小型计算机、微型计算机， 数控系统生产厂家认识到，采用通用小型计算机或微型计算机来取代原来的专用控制线 路，不仅经济上更合算，而且还能大幅度改善系统性能与n c 插补系统相比，c n c 或 m n c 插补系统主要有以下优点： 灵活性好对于传统的n c 系统，一旦确定了某种控制功能，就很难更改，而对 c n c 或) a n c 系统而言，只要改变相应的控制软件即可实现不同的功能； 可靠性高由于微处理器和部分大规模集成电路的应用，使得插补系统的可靠性 较以前有了很大提高据统计，早期的硬件眦系统的平均无故障时间仅为1 3 6 小时， 而c n c 或删c 系统的平均无故障时回达到了1 0 0 0 甚至2 0 0 0 0 多小时； 由于将相当一部分硬件功能转变为软件实现，减少了系统中的硬件数量，使得整 个系统的体积变得更小； c n c 系统可以利用计算机的高度计算功能，易于实现许多复杂的插补控制算法； 由于控制软件比原来的硬件线路更容易理解和掌握，使得系统的维护、升级也变 得相对容易了很多 日前，工厂使用的数控机床大多仍是采用这种完全由计算机软件插补方案 ( 3 ) 采用软硬件配合的两级插补方案 由于插补是一项实时性很强的工作，必须在有限的时间内完成插补计算，提供各加 工轴的进给信息，但是早期的微型计算机存在速度慢、字长短等缺点，用程序指令在通 用计算机上完成计算，总要比采用专门的硬件线路来得慢，特别是随着数控系统的控制 功能越来越复杂、对速度的要求也越来越高，采用单一的软件插补方案已显得力不从心 了，于是出现了采用软硬件配合的两级插补方案 在这种系统中为了减轻计算机的插补时间负荷，将插补任务分为两部分，即由计算 机软件和附加的插补器硬件共同承担软件插补称为粗插补，把工件轮廓按一定周期插 补为若干段；硬件插补称为细插补，完成各段内的“数据密化0 并形成输出脉冲软 件完成插补任务的绝大部分，而时同负荷要比仅仅用一级软件插补的方案小得多利用 软、硬件结合的数控插补方案需要较小的计算机容量和较小的插补时问负荷，这一方案 已被许多系统所采用，如日本f a n u c 公司的s y s t e m - - 5 等 9 桂林工学院硕士学位论文 2 3 基于l p 核技术的开发方法研究 2 3 1 自顶向下( t o p - v o 帅) 的设计方法 传统的电路设计方法一般都是自底向上( d o w n - t o p ) 的，其基本思路是从系统需求出 发，根据己存在的硬件基本单元划分设计的最低层的单元模块硬件基本单元是由e n 库提供，或外购及其他项目已开发出的单元d o w n - t o p 设计是基于简单i c 设计提出的 方法，己不能满足复杂 s i c 特别是s o c 芯片的设计要求而自顶向下( t o p - d 0 m ) 的设 计方法就是采用完全独立于目标器件物理结构的硬件描述语言，在系统的基本功能或行 为级上对设计的对象进行描述定义，结合多层仿真技术，在确保设计的可行性与正确性 的前提下，完成功能确认然后，利用逻辑综合工具将功能描述为某一目标芯片的网表 文件，输出给布局布线适配嚣，进行逻辑映射和布局布线，再利甩产生的仿真文件进行 时序和功能仿真，以确保系统的性能自顶向下的设计方法的优越性t ”1 ”表现在： ( 1 ) 整体考虑了s 0 c 芯片中软件及硬件设计； ( 2 ) 设计成果再利用容易，设计的资源可以反复利用、修改、升级； ( 3 ) 由于采用了结构化开发手段，因此，在系统基本功能定下来之后，即可实现 多人多任务的并行协同开发方式，使系统的设计规模和效率大幅提高； ( 4 ) 在选择实现系统盼目标器件类型、规模、结构等方面有较大的灵活性 2 3 2 软硬件协同设计 软硬件协同设计方法与传统设计方法的显著区别是原来的顺序式设计变为现在的 并行式设计，所有的设计问题都要在设计之初考虑到并提出相应的解决方案最后，在 真正子模块设计之前，所有的设计工作都是基于虚拟模块完成的 在软硬件协同设计中需要解决的问题有： ( 1 ) 系统描述的规范性，包括系统行为描述的规范和系统结构描述的规范为了 便于系统性能仿真，系统描述必须是规范的描述，只有这样才可以解决描述不匹配的问 题，使性能仿真人员快速地进行仿真，节省从系统描述到性能仿真的过渡时问设计时， 首先是根据系统的要求提出对系统的整体描述，其中包括系统行为描述和系统结构描 述行为描述就是把系统分成多个功能块，由这几个模块完成系统所要求的功能，而结 构描述主要就是把已有的内核或者必要时自行设计的内核描述成模块，使之与功能模块 相匹配，通过不断的系统仿真从而确定与系统行为描述相匹配的系统结构描述”对于 一个复杂的系统设计，每一步都应是规范的，否则下一步的设计就会变得异常困难甚至 不可能。 1 0 桂林工学院硕士学位论文 ( 2 ) 虚拟模块的集成问题最后的系统集成的内核可能取之不同的来源，所以系 统设计师必须对其进行必要的描述，以便解决不同虚拟模块在同一个仿真环境中进行仿 真的问题 ( 3 ) 软硬件虚拟模块协同仿真技术仿真始终是设计的关键和难点，仿真涉及到 虚拟软件和硬件模块的并行仿真，因此必须利用相应的电子设计自动化( e d ) 工具，采 取先进的协同仿真技术，才能达到协同仿真的目的 ( 4 ) 软硬件优化划分的方法这是确定系统的哪些功能是由硬件实现，哪些功能 是由软件实现，该步可以根据不同的设计需要采用不同的划分方法，如果此步没有做好， 就会导致系统整体结构或性能的不优化，造成系统成本升高，并且给最后的系统验证带 来困难软硬件划分与软硬件分别设计，二者之间始终贯穿着系统测试矢量该测试矢 量也是在软硬件宠1 分阶段钳定出来盼，所以，硬件设计、测试矢量、软件设计是并行的 关系 总之，软硬件协同设计与传统的单流程设计有着本质的区别，在此设计方法中，软： 件和硬件设计不再是两个独立的设计单元，而是在设计之初便交织在一起，相互提供设 计平台，相互作用，真正实现二者的并行性n 町另外在软硬件划分之后的硬件设计过程 中，仍保持并行设计的思想，即功能设计、物理设计、时序设计和各自的验证都是从设 计初并行展开的，而不是在实现某种设计之后再考虑另一个设计总而言之，不管是整 体设计还是局部设计，并行的思想始终贯穿于设计之中，这也是软硬件协同设计技术的 核心 2 3 3 硬件描述语言及编码风格介绍 2 3 3 1 硬件描述语言简介【舻2 町 硬件描述语言h d l 是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言利用这种语 言，数字电路系统的设计可以从上层到下层( 从抽象刭具体) 逐层描述自己的设计思想， 用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统然后，利用电子设计自动化( e d a ) 工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合