[硕士论文精品]基于fpga的函数发生器齿轮数控可编程芯片的开发

摘受7211U1摘要随着超大规模电路及计算机技术的快速发展，EDA技术被广泛应用到通讯、国防、空间技术、医药科学、工业自动化和智能装黄等领域。在当前各种高技术项目中，如果没有EDA技术的使用，项目的完成将变得很困难。同时对于大众电子产品采用EDA技术大大缩短了产品上市的时F、RJ。基于EDA技术的使用，本文着重讨论了采用EDA技术设计的一种函数发生器，它满足了数控系统对于数控加工更高要求。实验结果表明，与原有的数控系统的控制电路部分相比采用EDA技术设计的函数发生器使得数控系统具有更高的可靠性、实时性、高运算速度以及高集成度。同时由于EDA技术中FPGA芯片具有在系统可编程特性，因此该函数发生器的设计可像软件一样随时更改，这就为系统地维护带来了方便。可以确信本文为数控系统数控加工的完善提供了一条有效的途径。关键词电子设计自动化、现场可编程逻辑门阵列、数控、函数发生器摘要ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHETECHNOLOGYOFVLSIANDCOMPUTER,EDATECHNOLOGYHASBEENWIDELYAPPLIEDINSUCHAREASA8COMMUNICATION，NATIONALDEFENCE，SPACEFLIGHT，MEDICALSCIENCE，INDUSTRYSAUTOMATIZATIONANDINTELLIGENTINSTRUMENTSNLEIMPLEMENTATIONSOFALLKINDSOFHIGHTECHPROJECTSWERENEARLYIMPOSSIBLEWITHOUTTHEEDATECHNOLOGYEVENTOTHEDESIGNOFTHEORDINARYELECTRONICPRODUCTSTHETIMETOTHEMARKETWILLBELARGELYSHORTENED，ANDTHEPERFORMANCEWILLBEINCREASED，WITHTHEINTRODUCEOFEDATECHNOLOGYONTHEBASISOFMAKINGFULLUSEOFTHENEWFRUITSOFEDATECHNOLOGY，THISDISSERTATIONMAINLYDISCUSSEDTHEDESIGNANDIMPLEMENTIONOFAFUNCTIONGENERATORAPPLIEDINTOSPECIALINTEGRATECIRCUITWHICHMEETSWITLTHENEEDSOFDEVELOPINGHIGHPERFORMANCENUMERICALSYSTEMCONTROLSYSTEMTHERESULTSOFTHEEXPERIMENTINDICATEDTHAT，ONTHEONEHAND，THISSYSTEMISSUPERIORTOOLDNCSYSTEMINSIZE，POWERWASTE，PRECISION，RELIABILITYANDTHECAPABILITYOFANTIJAMMING；ONTHEOTHERHAND，ITISBETTERTHANTHESOFTWARECONTROLINSPEEDANDREALTIMEWORKINGMOREOVER,THISSYSTEMHASALSOBEENMODIFIEDASSOFTWARE，ALTHOUGHITISHARDWAREINNATURE，WHICHMAKESMAINTENANCEANDUPGRADEEASIERWECANSURETHATITISAUSEFULATTEMPTTOIMPROVINGTHEPERFORMANCEOFTHENUMERICALCONTROLSYSTEMKEYWORDSEDA、FPGA、NC、FUNCTIONGENERATOR2兰州理1_人学坝I形F究生毕业论文第一章绪论11课题来源及研究意义本课题来源于甘肃省科技厅攻关项目的子项目。我国是机床使用制造的大国，掘机械部有关方面统计，到90年代，我国机床拥有量接近400万台，居世界第二位，但其中半数以上的机床需要更新。随着现代技术的发展，机床已发生了质的变化。这种低水平、低质量的设备，已无法满足市场竞争的需要，所以近年来我国数控机床的进口一赢呈上升趋势，到1995年底，国外数控机床的进口已占国内市场的77，达到203亿美元。当前，现代数控系统利用电子技术、计算机技术的最新成果，J下在向高开放性、高可靠性和高精度的方向发展，所以结合利用现代高新技术改造现有的数控系统成为必然。对于以往的数控系统的控制电路部分通常采用传统的数字系统设计方法，即采用“积木块”式集成度较低的固定功能的标准集成电路，用户只能根据需要选择不同的器件，并按照器件推荐的电路达成系统。在设计时，设计者没有灵活性可言，组成的系统体积大，布线复杂且不易实现功能更新和系统重构。而FPGA芯片集大量中小规模集成电路功能于一身，因此基于FPGA的数控机床函数发生器的开发大大提升数控控制系统的集成度和运算速度。由于FPGA具备在系统可编程功能，因此在芯片焊接入板子后，同样可对芯片重新编程，为今后数控系统维护带来了极大的方便。12EDA技术发展概述121EDA技术发展历史自60年代以来，随着微电子技术的发展，逻辑器件也在不断演变。先后经历了小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI和超大规模集成电路VLSI等不同的发展阶段。在此期间，先后出现了各种不同类型的逻辑器件。尽管其品种繁多，型号各异，但总起来讲不外乎有以下三种类型I标准产品，即SSIMSL逻辑器件。例如T1L工艺的5474系列和CMOS工艺的CD4000系列中的各种逻辑门、触发器、译码器、多路转换器、计数器和寄存器等逻辑器件就属于这一类。II由软件配置的LSI器件，如各种微处理器CPU和弹片微型计算机芯片等。III专用集成电路ASIC。逻辑器件的标准产品批量大，成本低，价格便宜，器件的工作速度也很快，是数字系统传统使用的主要逻辑器件。但是，这类迄今的密度不高用它构成的数字系统硬件规模大，印刷电路板走线复杂，焊点多，致使系统地的可靠性降低，功耗增大。另外，这种器件的功能在出厂时就己确定，用户无法修改，不利于系统的加密，修改设计也比较麻烦，尤其是在印刷线路板制成以后就更是如此。70年代陆续推出的微处理器和单片计算机等逻辑迄今较好她弥补了标准产品的上述缺陷。这种器件密度高，其逻辑功能可由软件重新配置。用它构成数兰州理工大学硕士研究生毕业论文字系统是可大大缩小硬件规模，提高系统的灵活性。但这类期间的工作速度还不够高，一般只有专用集成电路的110，不能直接用于速度要求特别严格的场合。另外，这种逻辑器件通常要有用若干标准集成电路芯片搭成的外围电路才能工作。ASIC的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的某些缺点。ASIC是为满足一种或几种特定功能而设计并制造的集成电路芯片，它密度一般都很高，一片ASIC芯片就能取代一块由若干中小娆模集成电路芯片搭成的集成电路芯片，甚至一个完整的数字系统也能用一片ASIC芯片实现。因此，使用ASIC能大大减少系统的硬件规模，降低系统功耗，提高系统的可靠性、保密性和工作速度。ASIC按制造方法有可分为三类，即全定制产品、半定制产品和PLD器件。全定制的ASIC芯片其各层掩膜都是按特定电路的要求，由半导体器件生产厂家专门设计与制造的。其设计方法通常有人工法、标准单元法、通用单元法、优化阵列法、硅编译法等。不管采用那种方法，都要经过电路设计、逻辑模拟、版图设计、和集成电路的各道生产工序才能制造出符合要求的专用集成电路芯片。这是一个周期长、费用高、还带有很大风现行的过程。因此，全定制的专用集成电路旨在特大批量生产的情况下才适用。半定制ASIC芯片上单元电路也是由器件生产厂家预先做好的这种芯片称作母片，只剩下金属连接层的掩膜有待按用户的具体要求进行设计与制造。最常见的半定制ASIC为“门阵列”和“门海”。这种母片通用性较强，可以大批量生产，因而单片成本较低。当用户需要制作满足特定要求的ASIC芯片时，可根据设计要求和所选母片的结构，由用户或器件生产厂家设计出连线版图，再由器件生产厂家将所需金属连线做上。因此，就用户角度两言，这种ASIC与全定制ASIC相比，当生产量不是很大时，它的设计量不是很大的，它的设计和生产周期短，成本低，风险也小得多。但是，以上两种ASIC的设计和制造都离不开七件生产厂家，用户主动性较差，而且设计和生产周期也比较长。为了克服上述逻辑器件的缺点，人们主动性较差，而且生产周期也比较长。为了克服上述路基期间的缺点，人们又研制出了一种新型的逻辑器彳牛PLD器牛。PLD器件芯片上的电路和金属引线都是事先由器件生产厂家做好的，但其逻辑功能在出尝试并没有确定，其逻辑功能可由用户根据需要借助于PLD开发工具通过对其“编程”的办法来确定。因此，不通过器件生产厂家用户自己就能设计出符合要求的各种ASIC芯片。PLD器俘自70年代初诞生至今已有了长是的发展。级观PLD器件的发展历史，大体上可划分为四阶段。第一阶段从70年代初至70年代中。这一阶段的PLD器件包括“与”阵列固定，两“或”阵列由二极管熔丝构成的PROM，以“与”、“或”阵列都可编程的双极型现场可编程逻辑阵列FPLAFIELDPROGRAMMABLELOGICARRAY最为典型。第二阶段从70年代末至80年代初。这一阶段的PLD器件主要以“与”阵列可编程“或”固定的PAL器件为代表。以上两个阶段的PLD器件都是双极型工艺制造的，因而其编程都是一次性的。第三阶段从80年代中至80年代术。在这一阶段，由于半导体集成电路制造技术的发展，出现了一种新型的紫外线可擦除的可编程逻辑器件EPLD和以2兰州理工大学硕士研究生毕业论文GAL为代表的电可擦除电可编程的逻辑器件EEPLD。第四阶段从80年代末至今。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，在这一酚段，EIA技术褥到了快速发展，出现了结构上完全不同于以往的高密度PLD器件，其典型产品是逻辑单元型结构的现场可编程门阵列FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD。122EDA技术发展现状90年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA工具。电子设计由辅助手段为主要特征是自动化程度的提高，人工干预的减少。EDA的发震趋势是亳受自动纯，设计者扶事概念设计或者是电子系统的“行为设计”，而大部分工程中的技术问题，由EDA工具解决。EDA工具的出现，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工摇”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，丽把精力集中予创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。EDA工具的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着INTEL公司的PETIUM处理器的推出，XILINX、ALTERA等公司几十万门乃至几百万门规模的FPGA的上市，以及大规模的芯片组和高速、高密度印刷电路板的应用，EDA工程在功能方针、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大的挑战。这些问题实际上也是新一代EDA技术未来发展的趋势。EDA工程采用高级语言描述，具有系统及仿真和综合能力。它主要采用并行工程和“自顶向下”的设诗方法，使开发者从一开始就要考虑到产品周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时削及用户的需要等。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图以及进行仿真、纠错，并用VHDL、VERILOGHDL等硬件描述语言对系统行为送行描述。在系统L三乏及进行验证，最后再用逻辑综合优化工具声称具体的门及逻辑电路的王标，其对应的物理既可以使印刷电路板或专用集成电路。近几年，硬件描述元等设计数据格式的逐步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作上，从而使EDA框架结构日趋标转化，集成设计环境日趋完善。EDA工具的开发经历了两个大的阶段物理工具阶段和逻辑工具阶段。物理工具用来完成设计总的实际无路问题，如芯片布局、印刷电路板布线等；逻辑工具是基予网表、布尔逻辑、传输时序等概念。首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成综合、方针、优化等过程，最后生成物理工具可接受的网表或VHDL、VERILOGHDL结构化描述，现在常见的EDA工具有编辑器、仿真器、检查，分析工具、优化，综合工具等。123现场可编程逻辑门阵列FPGA现场可编程逻辑门阵到FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGA，与PAL、GAL器件相比，他的优点是可以实时地对外加或内置得RAM或EPROM编程。实施地改变迄今功能，实现现场可编程基于EPROM型或在线重配置基于RAM型。是科学试验、演技研制、小批量产品生产的最佳选择其问。FPGA通常包含三类可编程资源可编程逻辑功能块，可编程的块和可编兰州理工大学硕士研究生毕业论文程互联。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程IO块完成芯片上逻辑与外部封装角的借口，场围绕着阵列于芯片四周，可编程内部互连包括各种长度的线段和编程连接开关，他们将各个可编程逻辑块或FO块连接起来，构成特定功能的电路。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑快的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。较常用的是XILINX和ALTCRA公司的FPGA器件。FPGA一般用于逻辑方针。电路设计师设计一个电路首先要确定电路也可用VLIDL进行行为级描述，然后做逻辑综合，然后进行软件模拟及优，以确认所设计电路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大，工作频率的不断提高，将会给电路弓|入许多分布参数的影响，而这些影响用软件模拟的方法较难直接反映出来，所以有必要做硬件仿真。FPGA做成模型机就可以实现硬件仿真。将软件模拟后的线路经一定处理后下载到FPGA，就能很容易地得到一个模型枧。扶该模型枧，设计者可很直观遗测试其逻辑功能及性能指标。耳前已有一些优秀的EDA软件可将FPGA中的电路直接映射到表转单元库一直呈版图，这样就保证了电路设计的正确性。FPGA的另一个应用是直接利用FPGA制成ASIC。由于FPGA具备在系统可编程功能，因此在芯片焊接入板子后，同样可对芯片重新编程，为今后数控系统维护提供了方便，如图1所示。图1PC机对FPGA在系统编程本文采用的芯片为XILINX公司推出的SPARTANII系列XC2S100型号的FPGA芯片，SPARTANII系列FPGA是XILINX公司生产的代替ASIC的第二代FPGA产品。采用基于VIRTEXTM结构的流水线新结构，片内含有嵌入式RAM，并采用先进的0220】8URN半导体工艺，6层板结构。具有无限的可重编程性以及菲常低的价格。4兰州理工大学硕士研究生毕业论文ISPARTANII系列FPGA的主要特征SPARTANII系列FPGA具有系统及特性该系列FPGA芯片采用低压不限结构。片内含有丰富的寄存器锁存器、时钟使能信号、同步、异步置位复位信号。为增强时钟控制，提供了4个精确的延迟锁相环DLLS；含有4个主要的全局低偏移时钟分配网络；有两种类型的片上随机存取内存SELECTRAMTM；块状和分布式RAM。为满足高速运算设计的进位逻辑提供精确的乘法器，以适应各种PCI应用。LISPARTANII系列FPGA的基本结构原理如图2所示，基本结构主要包括5个可配置部分可配置的逻辑快CLBS在CLBS的四周分布着可编程的输入输出快IOBS，提供封装引脚与内部逻辑之闯的连接接口；丰富的多层互连结构片上随机存取内存SELECTL认M；DLL时钟控制块。NNRNNNRNN，N1NNNNNNNNMLN淑L驯可U口【二J蒌臼巳翟卷；F10J厂言FIUEI125EDA编程语言概述随着EDA技术的发展，使用硬件语言设计PLDFPGA成为一种趋势。目前最主要的硬件描述语言是VHDL和VERI1OGHDL。VHDL发展的较早，语法严格，而VERILOGHDL是在C语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语法较自由。VHDL和VERILOGHDL两者相比，VHDL的书写规贝JJ比VERILOG烦琐一些，但VERILOG自由的语法也容易让少数初学者出错。兰彳卅理工大学硕士研究生毕业论文硬件描述语言HARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE，顾名思义，是电子系统硬件行为描述、结构描述、数据流描述的语言。作为硬件描述的语言种类很多，有的从PASCAL发展而来，也有一些从C语言发展而来。VERILOGHDL就是在使用最广泛的C语言的基础上发展起来的一种件描述语言，它是由GDAGATEWAYDESIGNAUTOMATION公司的PHILMOORBY在1983年末首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1985年MOORBY推出它的第三个商用仿真器VERILOGXL，获得了巨大的成功，从而使得VERILOGHDL迅速得到推广应用。1989年CADENCE公司收购了GDA公司，使得VERIIOGHDL成为了该公司的独家专利。1990年CADENCE公司公开发表了VERILOGHDL，并成立LVI组织以促进VERILOGHDL成为IEEE标准，即IEEESTANDARFF13641995VERILOGHDL的最大特点就是易学易用，如果有C语言的编程经验，可以在一个较短的时间内很快的学习和掌握，因而可以把VERILOGHDL内容安排在与ASIC设计等相关课程内部进行讲授，由于HDL语言本身是专门面向硬件与系统设计的，这样的安排可以使学习者同时获得设计实际电路的经验。与之相比，VHDL的学习要困难一些。但VERILOGHDL较自由的语法，也容易造成初学者犯一些错误，这一点要注意。VHDL来源于美国军方，其余的则来源于民间公司。这些不同的语言传播到国内，同样也引起了不同的影响，在我国比较有影响的大概有3种硬件描述语言VHDL语言、VERILOGHDL语言和AHDL语言。VHDL语言的英文全名是VERYHIGHSPEEDINTEGRATEDCIRCUITHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE，即超高速集成电路硬件描述语言。HDL发展的技术源头是在HDL形成发展之前，以有了许多程序设计语言，如汇编、C、PASCAL、FORT砧州、PROLOG等。这些语言运行在不同硬件平台、不同的操作环境中，他们适合于描述过程和算法，不适合作硬件描述。CAD的出现，是人们可以乖J用计算机进行建筑、服装等行业的辅助设计，而电子辅助设计也同步发展起来。在利用EDA工具，都需要一种硬件描述语言来作为EDA工具的工作语言。这些众多的EDA工具软件开发者，各自推出了自己的HDL语言。HDL发展的社会根源是美国国防部电子系统项目有众多的承包公司。由于各公司技术路线不一致，许多产品不兼容，他们使用各自的设计语言，使得甲公司的设计不能被乙公司重复利用，造成了信息交换苦难和维护困难。美国正为了降低开发费用，避免重复设计，国防部为他们的超高速集成电路提供一种应减免书语言，期望VHDL功能强大、严格、可读性好。政府要求各公司的合同都用它来描述，以避免产生歧义。由政府牵头，VHDL工作组于1981年6月成立，提出了一个满足电子设计各种要求的能够作为工业标准的HDL。1983年第三季度，由IBM公司、TI公司、INTERMETRICS公司签约，组成开发小组工作任务时提出语言版本和开发软件环境。1986年IEEE标准化组织开始工作，讨论VHDL语言标准，历时一年有余，1987年12月通过标准审查，并宣布实施，即IEEESTDL0761987LRM87】。1993年VHDL重新修订，形成新的标准即IEEESTD10761993LRM93。从此以后，美国国防部实施新的技术标准，要求电子系统开发商的合同文件一律采用VHDL稳当。基地一个官方VHDL标准得到推广、市实施和普及。VHDL语言可读性好。VHDL基能被人容易读懂又能被计算机识别，作为技术6兰州理工大学硕士研究生毕业论文人员编写的原文件，即是计算机程序、技术文档和技术人员硬件信息交流文件，由市签约双方的合同文件。VHDL语言转为描述硬件而设计的，也可以用来设计FPGA和CPLD等大规模编程集成电路，所有的EDA工具都能接受VHDL语言描述的设计。VHDL语言中设计实体DESIGNENTITY、程序包PACKAGE、设计库LIBRARY为设计人员重复利用别人的设计提供了技术手段。重复利用他人的IP模块和软核SOFTCORE是VHDL的特色许多涉及不必个个都从头再来，只要在更高层次上把M模块利用起来，就能达到事半功倍的效果。VHDL语言可以在多种EDA工具设计环境运行，硬件平台是工作站或高档微机。本论文中VHDL编程采用XILINXISE52I开发软件，其如图3和图4所示。图3XILINXISE52I软件开发环境兰州理工大学硕士研究生毕业论文图4XILINXISE52I软件仿真环境使用XILINXISE52I软件编程过程1创建一个新的工程项，即创建一个模板；2仿真行为模型1刨建一个TESTBENCH波形源文件初始化输入生成预期的输出响应2适魇MODELSIM进行仿真行为仿真布局布线后的仿真3设计实现1运行实现设计2在资源分配器中察看设计布局8兰避T人学坝研究生毕业论文13国内外数控系统发展现状数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机、机械加工、微电子和自动化控制等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项高新技术。从70年代以来，以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造工业最重要的技术特征，数控机床水平的商低和机床数控化的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志。现代数控系统的发展就是围绕着怎么样提高机床的生产能力，即提高机床的加工性能、有效性和信息获取能力而展开研究的。现代数控系统利用电子技术、计算机技术的最新成果，正在向高丌放性、高可靠性和高速高精度的方向发展。当前，系统体系结构的开放性难是数控技术的研究热点，而开放式设计的目标是建立一个开放式系统体系结构。是控制及设计标准华、模块化、从而实现系列化、可兼容性、可扩充性和升级换代，其目的是大幅度降低系统研制和制造费用，提高用户设备和资源利用率以及数控产品市场竟争力，满足制造业的发展需要。由于数控机床在国门经济发展中的重要地位，目前世界个发达国家竞相开展了新一代开放式CNC系统的基础和应用研究。如美国的NGC计划，美国国家制造发展中心在新一代控制器、低价控制器、开放化模块结构控制器3方面进行了研究。日本开放式数控系统研究会也取得了一系列的成绩提出了开放式数控机床参考模型；开发了基于个人计算机的接口系统；提出并开发了OSEL语言；开发了控制接口及语言处理器。欧共体开放式自动控计划目前已进入第三阶段，主要成果有定义了中性的即不依赖任何厂家的开放式数控系统的基本规范；拟订了中性的可以用于数控系统、机器人、可编程控制器和单元控制器的统一结构；开发了第一批释放性的软硬件模块。我国“八五”期间，成功开发了2种数控平台和中华I型、航天I型、蓝天I型、华中I型等4种基本系统，利用总线式，模块化，开放型，嵌入式，多渠道软、硬件结构。目前大部分还处在封闭式阶段，距国际水平还有一定差距。14本论文研究的内容本论文“基于FPGA的函数发生器”，结合EDA技术的最新研究成果和高性能数控系统的发展要求，主要研究了以下内容1基于现代EDA技术的数字系统硬件设计方法及其在数控插补系统应用的必要性和可能性；2基于现代EDA技术的新型硬件插补系统的设计、仿真与实现。9兰州理T人学埘I研究生毕业论文第二章设计方案的论证本章首先简要回顾了传统的数字系统硬件设计方法，然后较详细介绍了基于现代EDA技术的数字系统硬件设计方法，最后，在对传统插补系统多种实现方案进行比较的基础上，针对目前高性能数控机床对插补系统的发展要求，确定了本论文的设计方案。21传统数字系统硬件设计方法在计算机辅助电子系统设计出现以前，人们一直采用传统的硬件电路设计方法来设计系统的硬件。这种硬件设计方法主要有以下几个主要特征。1传统数字系统设计方法是采用“积木块”式及程度较低的固定功能的标准集成电路，用户只能更具需要，选择市场上能买到的基本元器件，并按照期间推荐的电路来达成所要求的系统。在设计时，设计者没有灵活性可言，组成的系统体积大，布线复杂且不易实现功能更新和系统重构。2在传统的系统硬件设计方法中，仿真和调试通常只能在设计后期，即完成系统硬件设计以后才能进行。因为进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真器、逻辑分析仪和示波器等，这些工具只有在实际硬件系统搭成以后才能使用。系统设计过程中存在的问题只有在后期才较容易发现。这样，传统的硬件设计方法对系统设计人员有较高的要求，一旦考虑不周，系统设计存在较大缺陷，那末就欧可能要重新设计系统，使的设计周期大大增加。3在传统设计方法中，对系统硬件进行设计并调试完毕后，所生成的设计文件主要是由若干张电路原理图，其中详细标注了个逻辑元器件的名称和互相间的信号连接关系。这些都是将来用户使用和维护系统的依据。对于小系统，这种电路原理图一般只要几张至几十张，但是如果系统比较大，硬件比较复杂，那么这种电路原理图可能要有成千上百张。如此多的电路原理图给归档、阅读和使用都带来极大不便。综上所述，尽管传统的硬件电路设计方法已经沿用几十年，是目前广大电子工程师所熟悉和掌握的一种方法。但是随着计算技术、大规模集成电路技术的发展，这种传统的设计方法已大大落后于当今技术的发展，一种崭新的、基于现代EDA技术的设计方法正在逐步兴起，它的出现给数字系统硬件设计方法带来了一次前所未有的重大变革。22基于EDA技术的数字系统硬件设计方法自计算机诞生以来，数字系统设计历来存在两大分支，即系统硬件设计和系统软件设计。同样，设计人员也因工作性质不同，被分为硬件设计人员和软件设计人员。他们各自从事各自的工作，很少涉足对方的领域。特别是软件设计人员个是如此。但是自从EDA技术的出现，它打破了这种界限。221EDA工程的基本特征EDA工具是一种以计算机为基本平台，利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以及人工智能学等多种计算机应用科学的最新成果而开发出来的一整套软件工具，是一种帮助电子设计工程是从事电子元件产品和系统设计的综合工具。0兰州坐丁大学坝|研究生毕业论文EDA工程主要特征是硬件工具采用工作站和高端，软件采用EDA工具，功能包括原理图输入、硬件描述语言输入、波形输入、方针设计、可测试设计、逻辑综合，形式验证、时序分析等各个方面。设计方法采用自顶向下的方法，设计工作从高层开始，是用标准化硬件描述语言VHDL或VERILOGHDL描述电路行为，自顶向下跨过各个层次，完成整个电子系统的设计。EDA工程另一特征是IP模块式和可重复利用。由于IP的重复利用，弓发的IP模块科教流行，电子文件格式转换问题。不同EDA工具的相互兼容问题，都是EDA工程研究的范畴。EDA工程采用高级语言描述，具有系统及仿真和综合能力。它主要采用并行工程和“白顶向下”的设计方法，使开发者从一丌始就要考虑到产品声称周期的诸多方面，包括质量、成本、J1发时间及用户的需要等。然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图以及进行仿真、纠错，并用VHDL、VERILOGHDL等硬件描述原盐对公祠的系统行为迸行描述。在系统以及进行验证，最后再用逻辑综合优化工具声称具体的门及逻辑电路的王标，其对应的物理既可以使印刷电路板或专用集成电路。近几年，硬件描述元等设计数据格式的逐步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作上，从而使EDA框架结构日趋标转化，集成设计环境月趋完善。EDA工具的开发经历了两个大的阶段物理工具阶段和逻辑工具阶段。物理工具用来完成设计总的实际无路问题，如芯片布局、印刷电路板布线等；逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念。首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成综合、方针、优化等过程，最后生成物理工具可接受的网表或VHDL、VERILOGHDL结构化描述，现在常见的EDA工具有编辑器、仿真器、检查分析工具、优化，宗和工具等。目前，用PLD器件进行系统设计已成为现代数字系统设计的主要手段之一。传统的工程技术是将PLD器件插在编程器上进行编程，而“在系统可编程”ISP逻辑器件的问世，将充分发挥可编程器件的优越性。它允许用户“在系统中”编辑和修改逻辑，给使用者提供了不修改系统硬件设计的条件下重构系统的能力和硬件升级能力，使硬件修改变得像然间修改一样方便。ISP技术，即直接在用户设计的目标系统或线路板上对PLD器件进行编程的技术打破了使用PLD县变成后装配的惯例。而可以先装配后变成，成为产品后还可反复变成，从而揭开了数字电子系统设计技术新的一页。EDA工具提供了良好的逻辑综合与优化功能，它能够将设计人员设计的逻辑及电路图自动地转换为门级电路，并生成相应的网表文件、时序分析文件和各种报表，若设计没有错误，最终可生成可以编程下载的文件。通常，在正式下载前，设计人员还要对涉及的电路进行一些校验工作，这些工作即可通过EDA的功能仿真和时序仿真来完成。但设计人员确定设计工作已基本成功时，即可通过编程电缆下在数据流来进行硬件验证，验证合格后，设计工作完成。目前。现代集成电路技术的发展使现场可编程门阵列为代表的大容量可编程逻辑器件的等效门数迅速提高，其规模直逼标准门阵列，达到了系统集成的水平。特别是进入20世纪90年代后，随着FPGACPLD等现场可编程逻辑器件的逐渐兴起，VHDLVERILOGHDL等通用性好、一致性强的硬件描述语言的普及，ASIC技术的不断完善，EDA工程在现代数字系统和微电子技术应用中起着越来兰卅I理II人学峨H坍究生毕业论文越重要的作用。EDA工程的应用范畴如图5所示。人类社会即将进入到高度发达的信息化社会，信息社会的发展离不丌电子产品的迸步。吸纳代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，性能价格比一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越来块，实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已发展到深亚微米阶段，可以在其平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是EDA工程。而EDA工程的关键之一是EDA工具，EDA工具是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子设计通用工具软件，主要能进行三方面的辅助设计工作1PCB印刷电路板设计2ASIC设计3电子系统设计SOC、没有EDA工程的支持，想要完成上述朝大规模集成电路的设计缔造是不可想象的，反过来，生产制造技术不断进步又必将对EDA工程提出性的要求。用户需求功能定义波形输入法HDL语言输入法FL电路图输入法ASIC设计平台萄鞫霸霸蒂顼逻辑综合工具功能分析工具布局布线工具版图生成工具形式验证工具半导体厂IC产品、L兰兰竺、_，一硬件语言编译工具逻辑综台工具功能分析工具布局布线具时序分析T具编程下载L具可编程ASIC产品原理图编辑工具网表生成工具布局布线工具规则检查工具电磁兼容分析工具热分析工具制版厂PCB产品图5、EDA工程应用范畴222EDA工程的设计方法EDA工程的设计方法属于现代电子设计的范畴，于经典的设计方法不同。主要涵盖行为描述法、IP复用法、ASIC设计方法、SOC系统设计方法、EDA川删T人学坝I埘究生毕业论义网上方法、软样件协同设计方法、基于集成平台的设计方法。SOC代表了当今电子设计技术的发展防线，它的基本特征是设计人员按照“自项向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路一片或几片专用集成电路实现，然后采用硬件描述语言完成系统行为及设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。LO年前，电子设计的基本思路还是选择标准集成电路“自底向上”地构造出一个耨的系统，这样的设计法嘎就如同一砖一瓦遗建造金字塔，不仅效率低、成本高，而且还容易出错。进入90年代以来，电子信息类产品的开发出现了两个明显的特点以市场品的复杂度提高，而是产品的上市时限紧追。然两电路设计本质上是基于们既卖哦书的单层次设计，涉及的所有工作包括设计输入，仿真和分析，设计修改等都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法，也称为系统及的设计方法。高层次设计提供了一种“自顶向下”的全耨设I十方法，这种设计方法县从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后用综合优化工具声称具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计入员无须通过门级琢理图描述电路，而是针对设计目标进行供描述，由于摆脱了电炉细节的素服，设计人员可以把精力集中与创造性的概念构思与反感上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算枧居，EDA工具就能以规则驱动的方式自动完成整个事。这样，新的概念的意绪苏有效地变成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特征，而不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化交得轻松容易。高层次设计的设计流程如图6所示，兰州删丁人学烦F研究生毕业论文图6、高层次设计流程其步骤如下1按照“自顶向下”设计方法进行系统划分。2输入VHDL代码。这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以次啊用图形输入方式框图、状态图等。这种输入方式具有直观、容易理解的优点。3将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，好进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性。因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少重复的次数和实践，一般情况下，可略去这一步骤。4利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述买的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库的支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。5利用适配器将综合后的网表文件这对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后，产生多项设计结果适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等。适配后的仿真模型。器件编辑文件。根据适配的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到期删的实际硬件特征如试验特征，所以方针结果能比较精确地预测未来芯片的实际性能。如果方针结果达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度品质的器件直至满足设计要求。6将适配器产生的其间变成文件通过编程或下载在电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换西囊赢得掺假综合苦，可以很容易转换由ASIC形式实现。有些PLD厂商提供淹没服务，将容冗资源、编程资源删除，使芯片成本下降，批量生产更具竞争力。23数控插补系统方案论证231传统及现有数控插补系统方案比较从1952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兰州埋R人学颂LJ研究生毕业论史机技术的不断发展，数控插补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。下面简译介绍一下它们各自的优缺点。1传统的硬件插补方案又称NC插补这种方案主要出现在早期的数控机床系统中，如1952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1959年，出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1965年丌始，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。出于其采用的都是各种分离远见和小规模集成电路，造成整个系统体积庞大、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CNC插补70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NC插补系统相比，CNC插补系统主要有以下优点A灵活性好。对于传统的NC系统，一旦确定了某种控制功能，就很难更改，而对CNC系统而言，只要改变相应的控制软件即可实现不同功能；B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NC系统的平均无故障时间仅为136小时，而CNC系统的平均无故障时间达到了1000甚至20000多小时；C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；。DCNC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；E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。目前，工厂使用的数控机床大多仍是采用这种完全出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，必须在有限的时问内完成插补计算，提供个加工轴的进给信息，但是早期的微型计算机存在速度馒、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。这种系统中为了减轻计算机负荷，将插补任务分为两部分，即由计算机软件和附加的插补其硬件共同承担。软件插补称为粗插补，确保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”，并形成输出脉冲。软件完成插补任务的绝大部分，而时间负荷要比仅仅用一级软件插补的方案小得多。利用软、硬件结合的数控出方案需要较小的计算机容量和较小的插补时间负荷，这一方案已被许多系统所采用，如同本FANUC公司的SYSTEM5等。兰州理丁人学坝训究生毕业论文232高性能数控机床发展对插补系统的要求当今随着技术、市场、生产主旨结构等方面的快速变化，数控技术的发展面临着许多新的挑战。不断出现的新的加工需要，要求数控系统具有迅速、高效、经济地面向客户的模块化特性和软硬件重构能力。现代数控机床利用电子技术、计算机技术的最新成果，正在向高速度、高精度、高可靠性的方向发展，它对插补系统提出了更高的要求，主要表现在以下几个方面。IIIIIIIVVVI更高的运算速度采用更大的字长、更优秀的插补算法易于实现多轴联动插补；降低开发成本，缩短开发周期；进一步提高系统可靠性，由于数控机床运行过程中。伴随着大量的电磁能量的转换，一方面它对周围环境产生影响，另一方面其本身也受到所处环境来自各方的电磁干扰，其工作现场条件恶劣严重影响了系统的正常运行与可靠性，甚至是系统进入死循环而瘫痪。国产数控系统质量差的一个重要原因就是可靠性太差。更大的柔性，具有面向功能的动态重构功能，使得一种插补方案很方便的满足各种数控加工机床的需要。233本论文的设计方案针对现代高性能数控机床对插补系统提出的发展要求，对数控系统迸行模块化设计与开发，使其具有软硬件的重构能力，提高系统的可维护性和可扩充性，降低开发成本，缩短开发周期，无疑是实现提高数控机床对市场适应能力的必由之路。目前，现有的各种插补方案在适应现代高性能数控系统发展要求方面还存在一定的差距。为了改变这种状况，已有人提出了采用高性能专用数字信号处理器DSP来实现插补系统的方案。但是，这种方案的本质仍是通过软件指令来实现。而本文结合现代EDA技术的最新研究成果，针对适应高性能数控系统的发展要求，尝试性地提出了一种采用工业计算机可编程专用硬件插补芯片的新型硬件插补方案，其中工业计算机作为数控主机，负责向FPGA芯片传送原始数据和启动控制信号，并实现FPGA功能结构的动态配置即根据要求，分别配置呈直线或圆弧插补器而FPGA专用集成电路本身主要完成具体的插补算法，并向个坐标轴发出进给脉冲指令。一方面，处于就整个插补过程来说，每循环几千次、几万次采油一次预处理任务，所以预处理计算只是整个插补时间的一小部分。本方案中由于采用专用插补集成电路专门负责插补循环的高速计算，而由计算机完成初始数据的预处理，每当插补循环借宿后，专用集成电路向计算机发出中断请求信号，申请执行下一次插补任务，这样不仅减轻了计算机的计算负担，可以腾出更多的时间去处理其它任务，还将大大提高整个系统的速度和可靠性。另一方面，由于超高速集成电路硬件语言VHDL和大规模可编程逻辑器件PLD的出现，彻底打破了软件和硬件之问的技术壁垒，使得硬件也可先软件那样通过编程反复编译修改，用户可随时根据自身需要进行系统重构和现场升级。因此，6兰4十I埋I。人学颂IIJR7生毕业论文基于现代EDA技术的新型硬件数控插补系统具有更大的灵活性，它不仅可以用于常用的丌环步进数控系统的技术改造，还可以通过改变算法和接口应用于全数字的闭环伺服数控系统中。兰州趔丁人学坝I研宠生毕业论文第三章轮廓曲线实现的数学方法本章首先简要分析了数控插补，介绍了几种常用的插补算法，然后谈到了在数控加工中要实现的轮廓曲线，并具体讨论了实现直线和圆弧的插补方法。依此方法在第四章提出设计的函数发生器。3一数控插补的概述在数控加工中，插补运算是对程序段规定的轮廓曲线，包括直线、圆弧、或其他类型曲线如抛物线、三次曲线等进行“数据点的密化”，求出各相关坐标轴在每次插补运算期间应走过的距离，以增量值表是为、AY、AZ。插补运算的结果被送到位置控制环节。更详细地说明即所谓数控“插补”就是根据给定信息，在轮廓的起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值，并按照进给速度的要求向各坐标轴的伺服系统分配进给脉冲并发出必要的动作信号，伺服系统对进给脉冲和动作信号进行必要的转换和放大，然后再去驱动机床的工作台或刀架进行定位移动或按照某种轨迹移动，并配以各种机械动作。来完成特定形状或尺寸的零件加工。数控加工中对插补运算的最基本要求如下1运算快。因为它是实时任务，若插补运算花费时间越少，可为其他运算和处理提供更充分的时间；2运算精度高。插补误差是轮廓加工误差的一个组成部分，大的插补误差将会增加轮廓的加工误差。目前常用的插补算法主要有逐点比较法、数字积分法、最小偏差法、比较积分法等，下面简单介绍如下1逐点比较法。逐点比较法的基本思路是被控制对象在数控装置的控制下，按