（机械制造及其自动化专业论文）基于fpga技术的高速插补系统的设计与研究.pdf

硕士论文基于f p g a 技术的商 摘要 本文通过对高速数控系统的研究，认为高速数控系统中插补运算的优劣直接会影响 整个高速加工的效率和质量。同时对比目前较为常见的插补控制器和最新的发展动态， 提出了设计一款基于p c i 总线并以f p g a 为主控芯片的插补器，并且能运用于运动控制 等实际工程中。 首先，完成了基于f p g a 内部的数字积分法精插补、双数据缓存等模块的设计，同 时提出了一些优化方法，并对实现所有精插补算法模块进行了软件仿真验证。并进行了 基于f p g a 的精插补模块工程实用化的尝试，设计了以p c i 为总线的插补控制器，对插 补控制器的总体方案进行了合理规划。完成了硬件原理图设计，并制作和调试了精插补 控制器板卡。完成了上位机与精插补控制器的通讯程序，并且设计了上位机的数控插补 界面。 最后，使用t d s 2 0 2 4 b 存储式示波器对插补控制器的输出进行了测试，完成了由 插补控制器实际输出的插补脉冲数据的采集，通过对数据进行分析和总结，系统已经达 到了预期设计的目标和要求。 关键词：数控系统，现场可编程逻辑器件，硬件插补，p c i a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho fh i g h s p e e dn cs y s t e m ，t h i sp a p e ra r g u e st h a tt h eq u a l i t yo f i n t e r p o l a t i o no p e r a t i o no nh i g h - s p e e dn cs y s t e md i r e c t l y a f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t y a b o u tt h ew h o l eh i 曲一s p e e dm a c h i n i n g m e a n w h i l e ，c o m p a r i n gw i t ht h ep r e s e n tc o m m o n i n t e r p o l a t i o nc o n t r o l l e ra n di t sl a t e s td e v e l o p m e n t s ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r da ni n t e r p o l a t o r b a s e do np c ib u sa n df p g aa st h ec o n t r o l l e rc h i p t h a tc a nb ea p p l i e di np r a c t i c a lp r o j e c to f m o t i o nc o n t r 0 1 f i r s t l y , c o m p l e t e dt h ed e s i g no fd d af i n ei n t e r p o l a t i o n ，d o u b l ed a t ab u f f e rm o d u l e s b a s e do ni n t e m a lf p g a 。e t e a n dp u tf o r w a r ds o m eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，s i m u l a t e da n d v a l i d a t e da l lf r e e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m m o d u l e s m e a n w h i l eb a s e do nf p g af r e e i n t e r p o l a t i o nm o d u l ee n g i n e e r i n gp r a c t i c a la t t e m p t ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e di n t e r p o l a t i o n c o n t r o l l e ra sp c if o rb u s ，a n dd o n er e a s o n a b l ep l a n n i n go ft h eo v e r a l ls c h e m e t h e n ，f i n i s h e d t h eh a r d w a r ed i a g r a md e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dt e s to ff i n ei n t e r p o l a t i o nc o n t r o l l e rb o a r d a n d t h e nc o m p l e t ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mo ft h ep ca n df i n ei n t e r p o l a t i o nc o n t r o l l e r , a l s o d e s i g n e dac n ci n t e r p o l a t i o n i n t e r f a c eo fp c f i n a l l y , b yu s i n gt d s 2 0 2 4 bs t o r a g et y p eo s c i l l o s c o p e ，t e s t e dt h eo u t p u to fi n t e r p o l a t i o n c o n t r o l l e r , i nv i e wo ft h i s ，c o m p l e t e di n t e r p o l a t i o np u l s ed a t aa c q u i s i t i o no fi n t e r p o l a t i o n c o n t r o l l e rr e a lo u t p u t t h r o u g hd a t aa n a l y s i sa n ds u m m a r y , s y s t e m sh a v eb e e ne x p e c t e dt o r e a c ht h et a r g e ta n dr e q u i r e m e n t p c i k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，h a r d w a r ei n t e r p o l a t i o n ， 硕士论文 基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 1 绪论 当前数控技术正在朝着高速度、高精度和高智能化的方向发展。先进制造技术和制 造装备中也大量使用了高新的数控技术，高速数控加工极大的提高了机械制造生产的效 率和质量【1 1 。为了提高制造能力和水平，应对瞬息万变市场的适应能力和竞争能力，全 球各国制造业都广泛采用了先进的高速数控技术1 2 1 。高速数控技术是为适应高速度、高 精度、复杂零件的加工而出现的，是现代机床装备的灵魂和核心，有着广泛的应用领域 和广阔的应用前景【3 】。因此，世界上各工业发达国家都将高速数控技术及数控装备列为 国家战略物资，不仅投入巨大的人力财力来发展自己的高速数控技术及相关产业，而且 在“高精尖 关键数控技术和装备方面对我国实行出口限制和封锁1 4 1 。总之，大力发展 以高速数控技术为核心的先进制造技术，将成为加速我国经济发展、促进国家现代化建 设、提高综合国力和国家地位的重要途径垆j 。 1 1 高速数控技术的发展现状与研究方向 1 1 1 高速数控技术的发展现状 自从2 0 世纪5 0 年在美国麻省理工学院诞生的第一台数控机床起，计算机数控技术 已对全球各地制造业的增长产生了不可预料的影响【6 】。计算机及控制技术在机械制造设 备中的应用是二十世纪内制造业发展的最重大的技术进步【7 】。目前我国基本初步形成了 数控产业基地，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂 家。但是我国的总体数控化率仍然较低，只能达到2 9 左右，而目前西方工业国家超过 7 0 的制造企业都依赖于数控机床，它们作为其生产能力的重要组成部分【8 捌。因此发展 我国二十一世纪制造业必须首先解决的最主要问题是提高数控化率，提升数控机床利用 率。 目前，评定数控机床及系统效能的基本指标已经将由传统的工作精度和切削能力向 用高速高精化和高效柔性的程度转变。高速加工不仅是指主轴的高转速、高进给速度和 高进给加速度，还有高的加速度变化率【1 0 】。高速度高精度切削机床已成为高端数控机床 的发展趋势，近年来在国内外发展很快，直接影响到加工效率和产品质量【1 1 】。数控机床 的高速化不仅可以提供集成的切削力合缩短辅助时间，又能改善切削形成过程，减少刀 齿每转进给量和降低切削力，有利于提高加工精度【1 2 1 。为此，国际知名数控机床和系统 制造商不断的对高速高精度控制的研究投入巨大的人力和物力。例如德国德玛吉公司的 h s k - a 6 3 高速数控机床1 1 3 l ，精度高，加速度可达2 9 ，快速移动速度达9 0m m i n ，主轴 转速达4 2 ，0 0 0r p m 。数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高 速高精动态特性控制技术等提出了更高的要求【1 4 ”】。 1 1 绪论硕士论文 1 1 2 高速数控技术的研究方向 影响高速数控技术发展的因素有多种方面，也是当今数控技术研究的热点方向，同 时也是需要克服的难题。以下是当前为了适应高速数控技术发展的几个最为主要的热门 研究方向。 ( 1 ) 高速电主轴 目前，高速数控机床主传动的机械结构基本不再使用带传动和齿轮传动，机床主轴 已经采用内装式电动机直接驱动，从而实现了机床的零传动链。这种将主轴电动机直接 机床主轴的传动结构形式就是当前研究比较热门的电主轴【蛤1 7 1 。随着新结构、新材料的 高速电主轴的出现，能满足大量高速高精密数控机床的要求。例如瑞士一家著名电主轴 制造商，k o y o i b a g 公司生产的一种主轴系统就采用了磁浮轴承，主轴转速达 2 0 0 0 0 r m i n - 4 0 0 0 0 r m i n ，最高可达10 0 0 0 0 r m i n 。 ( 2 ) 直线电机驱动系统 高速数控机床的进给目前一般都采用了直线电机直接驱动。可得到瞬时的高加速 度，过渡过程极短、响应快，大大减少插补时由于滞后带来的跟踪误差，同时也极大的 提高了机床的进给速度【1 8 】。目前高速数控机床的坐标进给速度达20 - 4 0 m r a i n 已相当普 遍，甚至有高达2 0 0 m m i n ，加速度1 9 2 9 。在c i m t 9 7 上德国西门子公司作了直线电机 1 2 0 m r a i n 高速进给表演，它的直线电机最大的进给速度可达到2 0 0 m m i n 。为此直线电 机在航天、汽车等要求高的制造工业当中广泛的应用【1 9 - 2 0 1 。 ( 3 ) 高性能数控系统 为了适应高速高精的加工，必须开发运行快速且功能强大的计算机数控系统来应对 高端制造业的要求。当前，产生以纳米为单位的指令的纳米插补的出现，使数字伺服控 制器的位置指令平滑，提高了加工的速度和加工表面的平滑性【2 。2 0 0 6 年3 月的上海 国际机床展上，f a n u c 展示了3 0 i 与3 1 i 两款纳米级数值控制器，其最小输入单位为千 分之一微米，日本安田工业已率先采用，目前一般的控制器精度约在0 1 微米。 为了保证高速数控机床运行时的高精度，数控系统必须具有高速采样插补功能。同 时作为数控机床实现高速、高精度加工的主控中心，数控系统的插补功能和插补算法的 优劣是数控控制系统性能的重要参数，也直接影响着数控机床的加工效率和质量i 明。高 速插补模块能在很短的时间内能对各轴位置进给控制作出反应。因此，研究设计高速高 精度的插补模块将是提高数控高速加工技术的重要途径1 2 3 。 1 2 高速高精度插补技术的现状与发展 1 2 1 插补运算的主要方法 插补是指在位置控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线形的要求，在已知数据 2 硕士论文基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 点之间插入中间点，进行实时数据密化运算的过程【2 4 1 。根据加工零件形状的要求，插补 功能可以实现出直线、圆弧，抛物线等各种常见平面轮廓曲线的加工，甚至还能实现空 间圆锥曲线、螺旋线、高次样条曲线等的；b i l - i - 1 2 5 1 。 目前被广泛应用的插补方法可分为脉冲增量插补和数据采样插补两大类瞄2 8 】。 1 ) 脉冲增量插补适用于以步进电机为驱动的开环数控系统，其特点是每次插补的 结果仅产生一个行程增量，以单个脉冲的方式输出驱动步进电机。而一般c n c 系统都 用软件来完成这类算法。用软件完成一次脉冲增量插补算法，要执行2 0 多条指令，约 4 0 微秒的时间产生一个控制脉冲，而坐标轴仅移动一个脉冲当量。因此适用于一些中等 精度( o 0 1 m m ) 和中等速度( 1 - 3 m m i n ) 的c n c 系统。 2 ) 数据采样插补是一种在c n c 系统中广泛采用的插补算法，也称为时间分割法。 它尤其适用于闭环和半闭环的以交流或者直流伺服电动机为执行机构的位置采样控制 系统。这种算法以插补采样频率进行，坐标轴的位移增量在每个采样周期都计算后，形 成一微小数据段然后输出脉冲数字量，作为下一个插补采样间隙内各坐标轴计算机位置 闭环系统的增量进给指令。该插补程序计算出增量后，还需继续算出跟随误差和速度指 令，输出给伺服系统来控制各个轴的运动。 1 2 2 数控系统中插补器件的发展与现状 在早期的数控系统中，插补器件是根据插补算法原理研制出的，它是由各种数字电 路器件，如寄存器、加法器、触发器和其他门电路，通过硬连接线组成的。其运算速度 快，但是结构复杂、成本又比较高，而且工作的稳定性不好【2 9 1 。如图1 1 所示，就是早 期的数字积分法直线插补硬件逻辑图，由硬连接线组成的插补器件1 3 0 】。 图1 1 直线插补硬件逻辑图 2 0 世纪8 0 年初期，以单片机或微处理器作为核心的插补器件替代了早期的由数字电 路器件组成的插补器件，这类插补器器件的运算速度较慢，精度又不高，成本相对较低。 3 1 绪论 硕士论文 只能在一些低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用，根本无法应 对当今高速数控加工的要求1 3 1 】。 随着大规模集成电路的发展，出现了一些专用的数控集成芯片，插补运算完全由数 控集成芯片完成，速度快、精度高，如m c x 3 1 4 a s 专业集成芯片和p c i 9 5 0 2 接e l 芯片 桥接与计算机通信，通过m c x 3 1 4 内部各寄存器功能来实现多轴的位置、速度、加速度 等的运动控制和直线、圆弧等曲线的轨迹插补，同时能输出可达4 m h z 的脉冲频率【3 2 j 。 但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，是不能满足要求的。另外，由于 硬件资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，插补的精度也不 是很高，其硬件组成如下图1 2 所示： 图1 2 基于m c x 3 1 4 a s 专用芯片的插补控制器的总体结构 图1 3 基于d s p 芯片的插补器的总体结构 随着计算机技术的飞速发展，高性能的数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , 简称 d s p ) 的出现，逐步在代替早期的插补系统。插补技术由传统的数控加工行业专用运动控 制技术发展成具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术【3 3 】。 d s p 采用了改进的哈佛结构，使得处理指令和数据得以同时进行，从而大大的提高了处 4 硕士论文 基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 理效率。它的高速性能使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，并且集成度高，可以 实现高精度多轴伺服控制跚。这种实现方案的总体结构图如图1 3 所示。 虽然以d s p 主控芯片的插补器也能达到较高速度，但是它们的共同点都是将复杂 的插补计算放到c p u 由软件来实现，单处理器在一次插补计算后只能控制一个轴，要 实现多轴的控制只能时分复用c p u ，即先计算一个轴的脉冲输出，然后再进行下一个轴 的输出运算。这样插补进给速度受到了很大的限制，而且在多轴联动时误差较大。为了 能实现高速的多轴联动，必须要使各轴的插补计算并行进行处理。随着大规模现场可编 程逻辑器件( f p g a ) 的诞生，真正可以实现高速并行的插补运算能力【3 5 1 。 近年来，随着集成芯片制造技术的发展，可编程逻辑器件( p l d ) 在速度和集成度两 方面得到了飞速提高。数控插补器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制插补 器和以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的数控插补器，发展到了基于p c 总线的以f p g a 作为核心处理器的开放式数控插补器 3 6 1 。由于f p g a 的逻辑功能全部用软化的硬件电路 实现，故所延迟只来源于门电路，而一般门电路的延迟都在璐级别。因此f p g a 的运 算速度非常快，具有超强的逻辑处理能力，高速高可靠性、编程简单、开发周期短、系 统易维护易升级等优点使得f p g a 更加适合于高速插补的数控插补器当中，应用领域也 不断地扩大，越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器件来实现数字信号处理，从而 使通用d s p 芯片难以完成的一些时序组合逻辑和某些简单的大运算量的数学计算得以 实现p 列。所以说使用f p g a 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，更为重要的是大 大减少了成品芯片以后出现的反复修改以及投资芯片资金和时间的消耗。 1 3 本课题的意义及研究任务 1 3 1 本文的意义 在国内，目前高速数控插补器模块还处于比较落后的状态，大多方案是采用m c u 或m c u + c p l d 的方式进行开发的，性能相对较低。而高速数控插补产品都是直接购买 国外系统集成的产品和国外的插补器，或者通过组合国外的专用芯片来进行研发和设计 自己的控制产品。虽然国外同类产品性能有很多的优势，但也有一些不足之处，价格昂 贵，技术限制，而且开放程度不高。因此我们要通过自身的能力来研制具有自主知识产 权的，高水平、高质量、高可靠性的开放式数控插补器产品。 现场可编程门阵歹j j ( f p g a ) 作为一类特殊的a s c i 出现，其结构和性能与同类和以往 的电子器件截然不同。与a s i c 和d s p 相比，可编程逻辑解决方案可保证上市时间更快、 产品生命周期更灵活以及总体成本更低。而且f p g a 能真正实现c p u 所不能解决的并 行处理，多轴同时控制。高速、高可靠性、编程简单、开发周期短、系统易维护易升级 的优点使得f p g a 更加适合于高速插补的控制器当中。同时f p g a 器件目前正朝着更高 1 绪论 硕士论文 速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展，使它成为新一代数控插补器件的首选 主控芯片。因此，本文的目标是设计一款基于f p g a 的高速数控插补器件，并采用p c i 总线实现p c 机与f p g a 的数据传输，以提高数据传输速度，保证运动插补的实时性， 最后制作了一款能应用于实际工程的高速插补实验板卡。 1 3 2 主要研究任务 本文的研究目的是设计、研究一款基于p c i 总线并以f p g a 为主控芯片的插补器， 并且能运用于在运动控制等实际工程当中。主要内容包括：f p g a 精插补算法设计，插 补板卡的硬件设计，w m d o w s 平台的通信程序设计。本论文将分为六章来讲述。具体章 节安排如下： 第一章绪论，简述高速数控技术发展现状与研究方向以及插补器的主要方案与插 补运算方法。并介绍了本文的研究意义及任务。 第二章作为本文的重点与核心，主要完成了基于f p g a 的插补算法设计。详细阐 述了插补算法在f p g a 内部的设计过程，同时介绍了一些优化方法并在设计过程中合理 的应用，最后对三种插补算法模块进行分析仿真。 第三章进行了插补实验板卡的总体方案规划，对整个板卡功能分析然后完成硬件 设计，并设计板卡的p c b 板；另外还介绍了板卡的调试过程。 第四章完成了上位机与插补控制器的通讯程序设计并简单设计了数控插补界面。 第五章首先讨论了实验方案并采集插补脉冲数据，最后对脉冲数据进行分析和总 厶 ；口o 第六章对本课题研究取得的成果与不足进行简单的总结，并对今后的工作进展提 出建议和展望。 6 硕士论文 基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 2 基于f p g a 技术的高速高精插补模块的设计 2 1 基于f p g a 的高速插补模块及相关模块设计 本文主要实现f p g a 内部三种d d a 插补算法，有平面直线插补、圆弧插补和空间直 线插补，因此f p g a 芯片内部电路主要包括这三种插补模块，和其他的辅助功能模块， 如数据缓存模块以及象限脉冲输出处理模块，其内部功能模块的结构如图2 1 所示： 数据 数据 缓存 模块 数字积分法平面 直线、圆弧插补 数字积分法 空间直线插补 数字积分法 扩展插补模块 或 运 算差器蓑娄擘 控制模块l 图2 1 高速插补f p g a 内部功能模块结构图 三种插补模块的设计过程总体都是相仿的，根据f p g a 及其开发软件的设计流程， 首先是文件输入设计，然后进行综合编译、时序分析到最后是进行时序仿真，满足要求 后将输入文件生成原理图。为了能满足单次最大走步为3 0 0 0 0 步的插补要求，插补模块 中的寄存器设计以1 6 位标准，即2 1 6 3 0 0 0 0 。能够满足上位机完成粗插补后输入插补 模块的数据容量。另外，通过曲线类型信号来选择顺、逆圆弧和直线还有空间直线插补。 曲线选择信号存储在数据存储模块中，将在下面详细讨论。各个插补功能模块的设计， 难点在其输入文件的设计，本章着重介绍这方面的设计过程。 2 1 1 插补模块的顶层设计 ( 1 ) 顶层原理图设计 根据前面介绍了数字积分法的原理，这里采用混合设计输入方式来设计基于f p g a 的高速插补模块。顶层文件当中主要包含了平面直线、圆弧插补模块，空间直线模块， 双数据缓存模块，脉冲输出控制模块和平面选择模块等其他模块。将空间、平面插补算 法模块的数据输入信号端共同和双数据缓存模块的六个相对应的数据输出端口连接，它 们的其他信号如读写信号、复位信号，共同作为顶层文件的输入端口，即作为上位机控 制下位数控插补器件的控制信号；插补模块的输出端，即脉冲输出信号或运算后，作为 项层文件的输出端口。三种插补模块的插补终止信号f i n a l 做相与运算后作为上位机的 7 2 基于f p g a 技术的高速高精插补模块的设计 硕士论文 中断信号和双数据缓存模块的一个选择信号。最终完成完整的顶层图如图2 2 所示： 图2 2 数据积分插补法顶层原理图 ( 2 ) 主要端1 ：3 及管脚分配如下： d ：数据信号输入端口，对应芯片的管脚p i n 5 2 5 5 ，5 7 6 0 ； a ：地址信号输入端，对应芯片的管脚p 矾6 7 7 2 ； w r ：写信号输入端，对应芯片的管脚p i n 7 3 ； r e s e t ：系统复位信号输入端口，对应芯片的管脚p i n l 3 1 ； e l k ：系统时钟脉冲信号输入端，对应芯片的管脚p i n 9 2 ： r a c x ：x 轴正脉冲输出端，对应芯片的管脚p i n l 2 9 f x x ：x 轴脉冲方向输出端，对应芯片的管脚p i n l 4 2 r a c y ：y 轴正脉冲输出端，对应芯片的管脚p i n l 3 0 ； f x y ：y 轴负脉冲输出端，对应芯片的管脚p i n l 4 3 ； m e z ：y 轴正脉冲输出端，对应芯片的管脚p i n l 3 1 ； f x z ：y 轴负脉冲输出端，对应芯片的管脚p i n l 4 4 ； e n d ：插补终止信号输出端，对应芯片的管脚p i n l 0 4 ； s 0 。s 1 ，s 2 ，s 3 ：时钟脉冲分频选择出入端，对应芯片引脚p i n 7 6 - 7 9 ； ( 3 ) 系统项层编译 对设计完成的项层文件进行全编译。不断改变编译器的设置以求满足时序要求，最 ， -+ 8 ， 硕士论文基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 终通过时序分析。编译产生系统编译报告如图2 3 所示。编译器选择了e p l c 3 t 1 4 4 c 8 的f p g a 芯片，总共使用了3 2 个芯片管脚和7 6 9 个逻辑宏块，满足了系统的设计要求。 编译产生的时序分析结果如下图2 4 所示，最坏情况下的建立时间( ) 为7 0 1 9 n s 、 时钟至输出延时( ) 为1 6 0 3 5 n s 、管脚到管脚时间( t e d ) 为1 4 4 3 0 n s 、信号保持时 间( t 片) 为1 6 6 5 n s ，而最大时钟频率为7 0 4 0 m h z 。时序分析报告表明，设计满足时序 要求，足以满足输出脉冲频率要达到1 0 m 的要求。 i 妒! = ic 油p ，l a t l 。nr 印日r l皇 备自l * g d g o t i c 圆自f l o , s m 岬 = e 富f o ws e t t i n e z ” i 雷n o tw o n d e f a u l tg 1 曲ds e t t i n g z 一蚕寓f 1 we l s ! d s e dt i m e - 国目n o - o ss i y 邑n h c j 刍虹d y ：l = s y z , t h e z i s 昌圉s m m ”y 兰爹3s e t t i n g ：一台宦s e t t i r & !麓 国目s o u r c er i l e zf , e a d ：国目p , e s o x t r c eu = t 弘s u n , s 町。 ：函圈“t o u r c tu t i l i ：t t l b yh t l t l i 国口o p t i m izs t io t tr e s u l t s 熏鲁l 3s o m - c ta z z i 种t 1 、 篓曾op t e rs e t t i n g , o ye n t i t y j 臼pm e s s a g e s 兰鲁jf i t t e r， 舀囝s u m m r y 国目s “t i s ： - ：鲷f a r a l l e lco i l p i l , t io n 一 薯苣 oi n c r e s t n t dc p 1 1 t t io ns e c t i ：鲁静p i n - o u tf i l e 篓舀oe e s o r c ts e c t i 0 1 i 函目d e v ic to p t i 。子目e s t i m a t e db e l a ya d d e df o rh 0 1 董畚臼 d v n c e d ， i t t e r d t t t ：一爸r p t = = ts 誊国oa s z e z b l e r 兰酗t i m i n gk r o y z e r ! 雷r e 娜c e 值虽r e s 。州 王国0 op i i | 心 王国s ea ： 三国? 盯锄e m 国9 阮a g e s 貊m 协 国昌s m m a r y 昌暑s t t i 邶 t 掌b d “p 鲁垦h r i l d u z g e5 u 胁盯y u t i l i n t io nb yh t i t y i0 1 1r e 血ts s ig w , e n t s s e i t i 峪h t i t y i i l c o m p i h t lo n i 昌l k i 叮嘶e n t 乇1c o 叩i l “i 姐s e c t l 姑 图2 3 顶层文件全编译报告 l 曩：l ：，i i j l u ： r e 嘶e 8a c i u a f 7 辨 5 1 出 1 仰et 舶 1w o s i c a s e l s un an 0 n e70 1 9r i s _ 2w o r s t c e a ei n 舱 n o n e1 6 0 3 5n s - - 3w o r ；l c s , i ei p d n an o n e144 3 0n s _ _ 4w o r s t c a ：ei hn an o n e16 6 5n s _ 5o o c + , s e t u p ：c l kh 舱n o n e7 04 0 m h z 【p e 侧= 142 0 4n s j _ 6o o c ks e t u p ：q k l e n a n o n e ：1 3 5 1 2 i d h z p e r i o d ：74 0 1n s l _ 7 0 0 0 , , s e t u p ：w n , 4 n o n e 嗽i i i c 【刮l o2 7 50 2 l z ( p e 【i o d ：3 6 ：3 6 惜1 一 图2 4 顶层文件时序分析报告 9 2 基于f p g a 技术的高速高精插补模块的设计 硕士论文 图2 5 平面直线圆弧插补模块结构图 2 1 2 数字积分法平面直线、圆弧插补 根据上文提到的插补逻辑图，结合前面介绍的积分法的改进方案，设计了数字积分 法直线插补逻辑电路。最终设计成的主要模块结构图如图2 5 所示，根据结构图设计的 数字积分法平面直线和圆弧插补模块所设计的原理图如图2 6 所示。下面将具体介绍该 结构的设计思想和设计过程。 图2 6 平面插补模块的原理图 ( 1 ) 时序脉冲分配器的设计 主脉冲源发出的时标脉冲是连续不断的，我们这里采用的是4 0 m h z 频率的主脉冲 源，为了计数，需要有一个计数器【3 ”9 1 。插补运算中需安装四个工作节拍有序地工作， 1 0 硕士论文基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 因此必须按照一定的时间发出一系列的工作驱动脉冲。首先时序脉冲分配器的第一个时 钟节拍用来控制数据自左移模块和数据修正模块；第二个控制积分器模块，第三个控制 脉冲输出以及减数计数器；最后一个节拍控制插补终止信号。由于插补运算需要实现脉 冲分配器的四个脉冲序列来控制，因此插补电路完成一次插补运算的周期也就是输入的 主脉冲源周期的四倍。最后通过v h d l 语言设计时序脉冲分配器，其时序仿真如图2 7 所 示： 图2 7 时序脉冲分频器的时序仿真图 ( 2 ) 左移规格化电路设计 1 ) 左移规格化介绍 a 直线插补的左移规格化，把寄存器中的未规格化数同时左移，直到，。、，中任 意一个数规格化为止，即最大数占据数码最高位，这意味着把x ，y 两个方向的脉冲分 配速度扩大同样的倍数。规格化后每累加运算两次必有一次溢出，溢出速度比较均匀， 所以加工速度和加工精度都大为提副4 0 1 。 b 圆弧插补的左移规格化，只要两个积函数寄存器中任意一个的次高位数为“1 ” 时即完成了左移规格化。 2 ) 1 6 位的左移寄存器设计 左移寄存器的作用首先是暂存直线插补和圆弧插补的两轴输入的数据，直线插补中 ，中存放x 轴的值，中存放y 轴的值；而当圆弧插补两轴输入数据对存入两个寄存 器当中。其次是在自左移运算过程中能通过一个时能信号来自动停止规格化操作。首先 设计两个1 6 位的左移寄存器，。、，一 表2 1 双向移位寄存器的移动特性表 输入 输出 复位 方向加载时钟 q ( 7 )q ( 6 )q ( 5 )q ( 4 )q ( 3 )q ( 2 )q ( 1 )q ( o ) oxxx000 o 0oo0 1x 0 f d ( 7 ) d ( 6 )d ( 5 )d ( 4 ) d ( 3 )d ( 2 )d ( 1 )d ( 0 ) 1 01 f一左移一位s l 111fs r 一右移一位 这里先使用v h d l 语言来设计一个八位双向移位寄存器。双向移位寄存器是在方向 信号的控制在既可进行左移操作又能完成右移操作，并且移位后的位置将由左移补充为 l l 2 基于f p g a 技术的高速高精插补模块的设计 硕士论文 s l 或右移补充位s r 来填充，这些操作在同一个时钟c p 下同步工作的。其移动特性如表 2 1 所示： 从上面的移动特性表看出，当复位信号c l r = - i 且加载信号l o a d = o 时，在时钟脉冲的上 升沿到来时，输出q ( 7 ) q ( 0 ) 全部被置为输入数据d ( 7 ) - d ( 0 ) 。在复位端c k 和加载端 l o a d 都是高电平无效时，方向信号d i r - - o 且时钟脉冲的上升沿到，则输出数据左移一位， 同时q ( o ) 置入s l 的当前信号；当方向信号d i r = l 时，就向右移动一位，q ( 7 ) 置入8 1 的当 前信号。其v h d l 程序主要部分如下： i f ( c l 一- 0 ) t h e n t e m p = ”0 0 0 0 0 0 0 0 ”； e l s i f ( c l k = l a n dc l k l a s t v a l u e = 0a n dc l k e v e n t ) t h e n i f ( 1 0 a d = 洲0 ) t h e n t e m p - - d ； 直接加载输入数据 e l s i f ( 1 0 a d = 。1 a n dd i r = 洲0 ) t h e n进行数据左移操作 f o rii i l7t 01l o o p t e m p ( i ) - - t e m p ( i 一1 ) ； e n dl o o p ； t e m p ( o ) = s l ； 左移后，空缺位补充s l e l s i f ( 1 0 a d = l a n dd i r = 1 ) t h e n 进行数据右移操作 f o rii not 06l o o p t e m p ( i ) 蚴1 p ( i + 1 ) ； e n dl o o p ； 一 t e m p ( 7 ) = s r ； 右移后，空缺位补充s r e n di f ； e n di f ； 成功通过编译上面的程序后，然后生成一个双向移位寄存器模块l d i r s h i f t e r 8 ，调 用两个刚刚生成的双向移位寄存器。数据的加载用输入端信号l o a d 控制，而左右移位的 方向通过d i r 来控制。具体功能如下： l o a d = l ，d i r - - - - o 时在时钟的控制下进行左移操作； l o a d = l ，d i r = l 时在时钟的控制下进行右移操作； l o a d = ) 时在时钟的控制下直接加载输入数据； 将方向控制信号d i r 直接接入高电平来控制数据的先加载后左移，然后l o a d 端先给 出高电平，加载数据完成后，再跳转为低电平，就可以实现数据的左移操作而且能自动 硕士论文 基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 停止。l o a d 端和前面减法计数器加载信号特性相似，就使用w r 信号同时来控制数据的 载入。 而通过使用左移补充位s l 或右移补充位s r 可以实现多个移位寄存器的串接，以扩 展存储位数。这里用两个l d i rs h i f t e r 8 来实现存储位数的扩展，其原理图如下，q 【7 】位 接入高位l d i rs h i f t e r 8 的s l 位，而低位l d i rs h i f t e r 8 中的s l 直接接地，而其他相同控制 信号并接，就完成设计一个1 6 位的自左移寄存器l s h i f t e r l 6 。 3 ) 左移控制电路设计 自左移寄存器l s h i f t e r l 6 写入数据后并且写w r 信号发生跳变，则在时钟信号的控 制下寄存器写入的数据可以实现自动左移操作，但如果不去控制它的左移操作，那么我 们会丢失数据使输入数据不完整，因此需要一个控制信号来控制左移寄存器的左移操 作，并且在规格化完成后能实现自动停止左移操作。利用直线插补数据存储寄存器的最 高位，或者圆弧的次高位来控制寄存器l s h i f t e r l 6 模块的左移运行。 外部时钟脉冲信号为c l k ，而控制左移寄存器自动运算的控制信号为k c l k ，k c l k 信 号由直线插补两轴寄存器中的数据最高位何。、日，和圆弧插补的两轴寄存器中的数据次 高位c h 、 。决定的，因此：r c h 缸腩= ( 只l i n e + q l i n p ) + ( 咀l i n e + c h y l i n e ) c l k = ( 以+ 髟) l i n e + ( c h x + c h y ) l i n e e l k ( 2 1 ) 其中l i n e 信号为直线插补选择信号即l i n e = l 时，插补模块进行直线插补运算，而 l i n e = o 时就进行圆弧插补运算操作，在后面的章节当中还要详细讨论插补模块的控制信 号。因此当寄存器时钟端控制信号k c l k = - i 则继续进行左移操作，而当k c l k = 0 时，则停 止左移操作完成数据的规格化。 ( 3 ) 余数寄存器预置数设计 插补运动采用的是步进式，在单步范围内，同切线代替圆弧是有误差的，而且下一 步又在前一步的基础上判断新的走向，就必然会有误差产生，因此通常用增加寄存器的 位数或采用余数寄存器预置数的方法来减少d d a 插补的误差。但是由于前者会增大处 理信息量，那必须提高运算速度，会增加运算成本，故一般采用后者比较多【4 1 1 。 设置余数寄存器预置数可以很好的提高插补轨迹的精度。预置数一般可以由软件来 给出，为了没必要每次进行繁琐的软件数据预置，又考虑到对数据寄存器的预置数为定 值，这里就采用f p g a 内部的硬件方式来完成，由于还要对它装载预置数，当加载信号 l o a d 给出后硬件自动完成数据预置操作。下面是v ) l 主要程序： i fr e s e t = 0t h e n 复位 c o u n t h a t 0 ) ； 1 3 2 基于f p g a 技术的高速高精插补模块的设计硕士论文 e l s i fr i s i n g _ e d g e ( e l o c k ) t h e n i f l o a d = l t h e nl o a d 端口信号高电平时装载。 c o u n t i n t = d a t a _ i n ； e l s e c o u n t i n t _ q ； e n di f ； e n di f ； ( 4 ) x ，y 轴数据修正电路 圆弧插补时，与直线插补有所不同，即被积函数寄存器中存储是圆弧的起始坐标， 插补运算过程当中需要不断的改变，因此需要设计一个修正模块来处理插补运算中被积 函数值的修正。由于开始被积函数完成左移规格化运算后，相当于坐标值扩大了2 倍( i 为左移运算的位数) ，相应的修正值也应该是加或减2 。 因此使用v h d l 语言来设计修正电路，主要程序如下： e l s i fr i s i n g _ e d g e ( c l o c k ) t h e n i f l o a d = 1 t h e n c o u n t 硫 - - d a t a 洫；给寄存器装初始值 e l s i fl i n e = 0t h e n一为圆弧插补 i f y i c h u = l t h e n一有溢出产生 i f a r c = 。1 。t h e n一是顺圆弧 c o u n t i n t = c o u n t i n t + q ；在初始值上加修正值q e l s e一不是顺圆弧 c o u n t i n t _ c o u n t i n t - q ；一在初始值上减修正值q e n d i f ； e l s e 没有溢出的话 o u n t i n t _ c o u n t _ i n t ；数据不变 e n d i f ； 把上述电路生成原理图形块，定义为x i u z h e n g d l 模块。其d a t a i n 端分别接入以、 ，输出的信号，其q 端都接a2 。两个模块的其他输入信号端接入对应的信号即可。 ( 5 ) 1 6 位加法器的实现 通过加法器的累加来完成积分运算，经过修正后的数据要和余数寄存器中的数在加 法器中不断的进行累加运算，累加结果再送还余数寄存器，而累加的溢出信号就是插补 1 4j 硕士论文 基于f p g a 技术的高速插补系统的设计与研究 输出脉冲信号，但又要反过来控制x i u z h e n g d l 的修正。实现加法器的主要v h d l 程序 为： f o ri n1t o1 6l o o p v s u m ( i ) ：= ( a ( i ) x o rb ( i ) ) x o rc a r r y ； c a r r y ：= ( a ( i ) a n db ( i ) ) o r ( c a r r ya n d ( a ( i ) o rb ( i ) ) ) ； e n dl o o p ； ( 6 ) 终点判断电路 统一使用两个减法计数器如、来实现直线和圆弧的终点判断，把i 一l 、 i 姊一以1 分别存入这两个减数器