基于片上系统的可重构数控系统研究

2 0 1 2年 2月 第4 0卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS F e b 2 0 1 2 Vo 1 4 0 No 4 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 0 4 0 1 9 基于 片上 系统的可重构数控 系统研究 张庆 雷贤卿 1 河南科技 大学机 电工程学院 河南洛 阳 4 7 1 0 0 3 2 商丘职业技术学院 河南商丘 4 7 6 0 0 0 摘要 为适应柔性化制造的发展趋势 提出一种基于可编程片上系统的机床数控系统设计方案 使得数控系统可以按 需重构 给出了嵌入式数控系统的总体硬件设计 说明了可编程片上系统 S O P C 的内部架构和 N i o s I I 软核处理器具体 配置 实现了 MC U D S P和用户逻辑在一片 F P G A芯片上的集成 设计 了数控系统的重构方案并在 E P 2 C 5 0芯片上进行了 重构实验 结果表明 整个重构周期耗时7 4 8 m s 能满足数控机床使用中的现场实时重构要求 关键词 机床 数控系统 可编程片上系统 可重构系统 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 4 0 4 9 3 Re s e a r c h o n Re c o n fig u r a b l e CN C S y s t e m Ba s e d o n S y s t e m o n Pr o g r a mma bl e Chi p Te c hn o l o g y z HA N G Q i n g L E I X i a n q i n g 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L u o y a n g He n a n 4 7 1 0 0 3 C h i n a 2 S h a n g q i u V o c a t i o n a l T e c h n i c a l I n s t i t u t e S h a n g q i u He n a n 4 7 6 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t To me e t t h e d e v e l o p me n t t r e n d o f f l e x i b l e ma n u f a c t u r i n g a C NC s y s t e m d e s i g n s c h e me wa s p r e s e n t e d b a s e d o n s y s t e m o n p r o g r a m ma b l e c h i p S O P C t e c h n o l o g y t O r e c o n f i g u r e C N C s y s t e m a s n e e d e d T h e o v e r a l l e m b e d d e d C N C s y s t e m h a r d w a r e d e s i gn w a s i n t r o d u c e d T h e i n t e r n a l d e s i gn o f S O P C a n d t h e c o n f i g u r a t i o n o f Ni o s I I s o ft p r o c e s s o r w e r e s p e c i f i e d MCU D S P a n d u s e r l o c w e r e i n t e g r a t e d i n a s i n g l e F P GA c h i p Re c o n f i gn r a t i o n s c h e me o f t h e CN C s y s t e m wa s p r e s e n t e d T h e C NC r e c o n f i g u r a t i o n e x p e ri me n t wa s c a r r i e d o u t i n F P GA E P 2C 5 0 E x p e r i me n t a l r e s u l t s h o w s t h a t t h e r e c o n f i g u r a t i o n me t h o d i s e ffic i e n t T h e wh o l e r e c o n f i g u r a t i o n p r o c e s s c o n s u me s 7 4 8 ms I t me e t s t h e t i me r e q u i r e me n t o f C NC ma c h i n e t o o l s t o r u n r e a l t i me c o n f i g u r a t i o n Ke y wo r d s Ma c h i n e t o o l s C NC s y s t e m S y s t e m o n p r o gra mma b l e c h i p Re c o n f i g u r a b l e s y s t e m 数 控机 床技术 是 2 0世 纪 7 0年 代发 展 起 来 的机 床 控制新 技 术 是 先进 制 造 技 术 的核 心 技 术 之 一 然 而传 统 的数 控系统 大 多 为 固定 封 闭 式结 构 用 户 无 法对 现有数控 设备 的硬 件 和功 能进 行修 改 以 满足 自己的特殊要求 各厂商提供的操作方式也各不相 同 这些 问题严 重 阻 碍 了 C N C C o m p u t e r N u m e r i c a l C o n t r o 1 制造商 系统集成者和用户采用灵活 创 造 性 的方 法来解 决 当前 数 控加 工 和 系统集 成 中 的 问 题 数 控 系统 必须 具 有迅 速 高效 经 济 的面 向 客户的模块化特性和软硬件可重构能力 最新的制 造模式的核心思想之一便是柔性化制造 可重构数 控 系 统 R e c o n fi g u r a b l e C N C S y s t e ms 应 运 而 生 可重构制造系统能够通过重组或改变 自身部件 快 速 调整 生 产 能力 和 功 能 以适 应 新 的 生 产 环 境 需 要 可重构能力将是未来制造系统必须具备的核心 能力之一 作为制造系统的关键单元的数控系统也 必须具备这种能力 1 相关研究 在国外 2 0世纪9 0年代初 德国 E MA G公司开 发了立式多功能加工机床 在一台机床上实现从毛坯 至成 品的全部加工 文献 5 中定 义 了可重构制 造系统的特征 可重构数控系统应具备模块化 可集 成 可转换 可维护和可定制 的特征 采用 F P G A构 建的数控系统能够很好地体现这些特征 在国内 文 献 4 中设 计 研 制 了可 重 构 自动化 制 造 系统 R A M S 在可重构 高效 自动化生产方面做了一 定 的 研 究 文 献 6 提 出 一 种 基 于 Wi n d o w s C E D S P的开放式 C N C实现方案 上位机嵌入式单 板计算机 S B C C 2 6 和下位机 D S P运动控制卡通过 P C 1 04 总线实现主从式结构的连接 文献 7 中搭 建 了以 A R M D S P为平 台的可 重构数 控 系统 并 设 计了以嵌入式实时操作系统 R T L i n u x为核心的系统 软件体系结构 收稿 日期 2 0 1 1一 叭 一 2 1 基金项目 河南科技大学科研创新能力培育基金 2 0 1 0 C Z 0 0 0 2 作者简介 张庆 1 9 7 4 一 男 硕士 主要从事先进制造技术 精密测试技术等的研究 E m a i l z h a n g q i n g p r o 5 0 机床与液压 第 4 0卷 在可重构数控 系统的研 究方面 国内外 主要采用 软件的途径 而随着 F P G A的出现 利用其构造数控 系统的控制内核 并充分利用它的硬件可重构性 实 现数控系统功能的重构 是可重构数控系统硬件实现 的一条途径 文 中的不 同之处 在于整个 系统是 基于可 重构 F P G A进 行 设 计 的 除 了 能 进行 功 能 重 构 软 件 重 构 外 还能对数控系统的硬件电路进行重构 另外 在 作者设 计的机床数控 系统 中 由于采 用 了可编程片上 系统 S O P C S y s t e m O n P r o g r a m m a b l e C h i p 技术 可 以将控 制算法下载 到一块 F P G A C P L D芯 片上 大 大 减小了控制器的体积 功能也十分强大 将是机床运 动控制系统实现技术 的发展方 向 数 控系统能 随时进 行 自适应调整 并能通过网络对机床控制系统的软硬 件 系统进行升级 2嵌入式数控 系统的总体设计 文 中 设计 的片 上 系统 采用 C y c l o n e I I E P 2 C 5 0芯 片 作为一种新型的芯片 C y c l o n e l I 是采用全铜层 9 0 n m低 k绝缘工艺 1 2 V S R A M 工艺 在 3 0 0 m m 圆晶片上生产的第二代产品系列 通过使用新型的架 构 缩小裸 片尺寸 在保证成本优势 的前提下 c y c l o n e I I 提供 了更高 的集成度和性能 数控 系统 的 S D R A M选用的是 M i c r o n 公司生 产的 M T 4 8 L C 4 M3 2 B 2 该 器 件 是 容 量 为 1 M 3 2 b i t 4 b a n k s的高速 C MO S动态 随机访 问存储器 支持 P C 1 0 0功能 支持全同步 在时钟信号的上升沿对信 号进行读取操作 支持内部管道操作 列地址可以在 每个时钟 周期 发 生改 变 系统 中还包 括其 他 外 围 电 路 图 1 可重构数控系统的总体框图 2 1 可 编程 片 上 系统 S O P C 的设计 基于可编程片上 系统的嵌 入式数控 系统包含 如下 组件 N i o s I I C P U A v a l o n总线 P WM波驱动模块 A D采样模块 定时器 各种外围设备和存储器接 口 片内调试模块等 如 图 2 S O P C技术可 以实现 高度 的 功能集成 S O P C一般采用 大容量 的 F P G A作 为载体 除了在一片 F P G A中定制 M C U处理器和 D S P功能外 还可以设计其他 功能逻辑模块 实现 M C U D S P F P G A在一片芯片上的集成 图3为作者在 Q u a r t u s I I 软 件 中设计 的可编程片上 系统的顶层原理图 图3 Q u a r t u s I I 软件中实现的 S O P C 第4期 张庆 等 基于片上系统的可重构数控系统研究 5 1 2 2软 核 处理 器设计 数控机床的控制功能利用 N i o s I I 系列嵌入式处理 器内核来实现 N i o s I I 嵌入式处理器是 A l t e r a 公司于 2 0 0 4年 6 月推出的第二代用于可编程逻辑器件的可配 置软核处理器 采用了流水线技术和单指令流的 R I S C R e d u c e d I n s t r u c t i o n S e t C o m p u t i n g 处理器 大部分指 令可以在一个时钟周期内完成 它以软核的方式提供 给用户 并专为在A l t e r a的F P G A上实现做了优化 结 合用户 自定义逻辑 U s e r d e fi n e d L o g i c 以及大容量 存储器 可用于 S O P C集成 最后在F P G A上实现 表 1 列出了N i o s I I 软核的详细配置信息 表 1 N i o s I I 软核 的详细 配置信 息 内核型号 N i o s I I S 性能 D MI P s 2 5 逻辑 门占用 1 2 0 0 1 4 O O L E S 指令 c a c h e k B 4 Ha r d wa r e mu l t i p l y E mb e d d e d mu l t i p l i e r s Re s e t v e c t o r me mo r y Ex t f l a s h o ff s e t 0 x O Exc e pt i o n v e c t o r On c hi p me m o f fs e t 0 x 2 0 J TAG d e b u g mo d u l e L e v e l 1 s o f t w a r e b r e a k p o i n t s a l l o we d 另外 N i o s I I 处理器支持 2 5 6个具有固定或可变 时钟周期操作的定制指令 允许 N i o s I I 设计人员利 用扩展的 C P U指令集 通过提升那些对时间敏感的 应用软件的运行速度 来提高系统性能 3 数控系统的重构功能设计与实验 数控系统可重构性要求系统能灵活地调整自身的 硬件结构 以满足加 工要求 而现场 可编程逻辑 器件具 有可实时重构电路的特性 即它的硬件结构可以像软 件程序一 样 动 态调 用 或修 改 基 于 最 新 的 F P G A芯 片 作者可以动态地重构出期望的各种数控机床的控 制电路 例如可实现对数控钻床 数控车床 数控铣 床 数控镗床之间的重构 在主动串行配置方案 中 当器件首次上电启动 时 它将加载位于地址 b o o t a d d r e s s 2 3 0 2 4 b 0 的初 始配置 所以作者在 b o o t a d d r e s s 2 4 b 0中存储 了 系统的初始配置映像 在串行配置器件中 它对应位 置 的起始地 址为 O x O 0 0 0 0 0 F P G A的工 厂配置 映像是 在系统最初设计时生成的 当系统重构出现错误时它 将是备用配置 这个映像存储在非易失性存储器中 初始配置映像是用户设计 的 其中包含软逻辑 N i o s I I 处理器或状态机和远程通讯接口 须完成 以下任务 从专用远程重构电路中获得系统状态信 息 如果有错误则立即处理 与远程的主机保持通信 畅通 接收新的应用配置数据 并在本地非易失性存 储器中存储新的配置数据 确定把哪个应用配置加载 到 F P G A器件中去 启用或禁用用户看门狗定时器和 加载的超时值 可选 给系统专用的重构电路下达 开始重新配置周期的命令 数控系统 的重构流程见 图 4 上 电 配置出错厂 初始配置 配 置 出错 设置 控制 寄存 器 并 开始 重构 升 级后 的 应 用 配置l 如 数控 钻床 加载一个新的应用配置 重新加载一个新的应用配置 设置控制寄存器 并 开始 重构 配置 出错 升 级后 的 应 用 配置月 如 数控车床 图 4 数控系统的重构流程 最后 作者在 E P 2 C 5 0上进 行 了数 控系统 的重构 实验 实验数据见表 2 实验结果表明 文中设计的 可重构 数 控 系 统 重 构 功 能 正 常 无 循 环 冗 余 校 验 C R C 错误 重构耗时较短 能满足数控机床使用 中的现场实时重构要求 表 2 数控系统的重构实验结果 F P G A型号 E P 2 C 5 0 耗时 7 4 8 m s 重构配置文件9 9 6 3 3 9 2 b i t 有无 C R C错误 无 重构时钟频率 2 0 M H z 4总结 文中给出了基于片上系统技术的可重构数控系统 的设计 方法 通 过 片上 技术 将整 个 数控 系统 在 一块 F P G A中实现 使得所设计的数控系统在规模 可靠 性