毕业论文－基于arm和fpga的数控系统的硬件设计(new)

学位论文1目录第一章绪论611引言612研究背景及国内外发展现状7121研究背景7122国外发展状况8123国内研究现状813本论文课题来源和研究内容9131课题来源9132研究内容914论文结构安排9第二章体系结构设计1121数控系统体系结构1122技术要求11221主要性能指标12222系统输入输出接口要求13223精度指标14224其他要求1523总体结构分析1524软硬件功能划分17241软硬件功能划分的原则17242软硬件功能划分的具体实现1925硬件系统划分2026板级功能划分22261CPU子系统22262FPGA子系统22263DA转换子系统23264信号隔离与转换子系统23264电源子系统24学位论文227芯片级功能划分24271总线接口模块24272复位控制模块24273中断控制模块25274定时器模块25275键盘扫描模块25276编码器计数器模块25277驱动器控制模块25278IO控制模块26第三章板级硬件设计2731板级设计的原则27311模块化设计27312尽量基于成熟的设计27313可重构原则27314兼容性原则2832性能分析与初步设计28321CPU计算能力28322实时性29323存储能力30324FPGG36的G17885G6333和G44G50G6205展能力3032G24实现G7053G77083133CPU子系统31331ARM子系统31332存储器子系统33333G17902信接口3334LCD接口3335FPGA子系统34351G18209G13634电G17347和G991G17745接口34352G5194G15904接口35学位论文336DA转换子系统35361隔离35362转换35363G6930G38353637信号隔离与转换子系统3638电源子系统38第四章芯片级硬件设计3941FPGAG1183G134733942FPGA的G5332发39421HDLG16833言39422G5332发G8981G12255与EDA软件4043ACEX系G2027FPGA4144功能实现42441总线接口模块42442复位控制模块43443中断控制模块43444定时器模块45445键盘扫描模块47446计数器模块48447驱动器控制模块49448IO控制模块5045HDL编G1901G8892G5859G1119G2004550451HDL的可G13520G2524性50452硬件G5617G583151453G14403G3921的编码G20130G76965146设计要G986952461G2528步设计和G5334步设计52462与G5334步器件的接口G19394题52463G19766G12227与G17907度53学位论文4第五章软件接口设计5451UC/OSII实时G6817G1328系统5452引G4560结构5553硬件G7828G8991系统5554数控系统G12255G5219接口56541FPGA接口56542电G7438G17828动控制58第六章硬件系统调试5961CPU子系统59621ARM的基本G16855G16809接口JTAG59622G12255G5219的G991G17745与NORFLASH的G9915G190160623ARM系统的G16855G16809步G206006162LCD接口6163FPGA子系统62631基本电G1734762632驱动器控制模块6264DA转换子系统62第七章软硬件联调和机床加工试验6371IO控制G16809G205766372DA输出G16809G205766373编码器G16847G2474G16809G205766374电G7438控制G16809G2057663741位G13634精度G16809G2057663742转G17907G5191G12295性G16809G2057664743G7380G3835G17907度G16809G205766475G2164G5049G17724G17869G3282G11023G3282G16809G205766476实G19481G5049件G2164G5049G16809G205766477系统G19283时G19400G17842G13505G17828G15904G16809G2057665结束语66学位论文5参考文献67致谢68学位论文6第一章绪论11引言G17829G5192来G6117国G1237G1006的数控G7438G5214G2356G7389G10587G17892G5192G990G2331G712G3324G3835中G1237G1006G5062G7389G17751G3822的G1363G11004G712G3324中G4579G1237G1006G10990G14279G1022体G1237G1006中G1075G7234G17953G5332G3999G1363G11004G452G3324G17837G1135数控G7438G5214中G712G19512G4581量G7438G5214G1209FMS模G5347G19610成G1363G11004外G712G3835G18129G3800于G2345G7438G17828G15904状G5589G712G5194G1000G11468G5415G18108分G3800于G1363G11004G6940G10587G993G20652G712G12661G10714G7053G5347G14865G2530的状G5589G4522001G5192G712G6117国G7438G5214G5049G1006G1147G1552G5062进入世界第5名G712G7438G5214消费额G3324世界排名G990G2331到第3位G712达4739亿美元G712仅次于美国的5367亿美元G712消费额比G990一G5192增G1928325G452但由于国G1147数控G7438G5214G993能满足市场的需求G712G1363G6117国G7438G5214的进口额呈G17892G5192G990G2331G5589势G7122001G5192进口G7438G5214跃G2331G14279世界第2位G712达2406亿美元G712比G990G5192增G19283273G452G17829G5192来G6117国出口额增幅G17751G3835的数控G7438G5214G7389数控车G5214、数控磨G5214、数控特种G2164G5049G7438G5214、数控剪板G7438、数控成形折弯G7438、数控压铸G7438等G712G7234G17902G7438G5214G7389钻G5214、锯G5214、插G5214、拉G5214、组G2524G7438G5214、液压压力G7438、木G5049G7438G5214等G452出口的数控G7438G5214品种G1209中低档为主G452据专家分析预G89911、数控G7438G5214推广应G11004G17892步由经济型为主向G7234及型为主转变G452据预G8991分析G712到2005G5192G6117国G7438G5214数控化G10587为951036G712到2010G5192将达到1651927G452G332420012010G5192G712经济型所G2356比重继G13505减G4581G712G7234及型所G2356比重继G13505增G19283G712G20652级型的需求缓慢增G19283G4522、数控金切G7438G5214的构成比G17892渐趋于G2524G10714G452数控G7438G5214G5049G5219G19610中的G2164G5049特G9869G712将G1363具G7389复G2524功能的G20652G6940数控G7438G5214的需求增G19283G712G17837将G4560致数控G7438G5214拥G7389量和市场消费量中各类数控G7438G5214的构成比G993G2528于传统的G7438G5214构成比G4523、数控G7438G5214的应G11004由G2345G7438向G2345元（系统）G7053向发展G452目前欧、美、日等国应G11004DNCG5062很G7234G17953G712柔性制造G2345元G5062G2356数控G7438G5214销售量的30G1209G990G452而G6117国FMC、FMS和FML的拥G7389量G993足50套G712G11468G5415于日本80G5192代的水G5191G712G2356数控G7438G5214消费额G993到5G4524、出口前景G14403G3921G4521998G5192及前几G5192G6117国G7438G5214G5049具的出口额徘徊G33245亿美元学位论文7左右G7122000G5192G990G2331到785亿美元G712随着东南亚经济复苏和G6117国出口G3822极化市场的形成和巩固G712G1209及G6117国G2164入WTOG712今G2530几G5192G6117国G7438G5214出口将实现G5191G12295、持G13505增G19283G452预计到2005G5192出口创汇可达到12亿美元G45212研究背景及国内外发展现状121研究背景G2164入WTOG2530G712外资对G6117国G7438械G5049G1006会G1147生结构性的冲击G712主要表现G3324G1209G991几G98691、G18108分G15904G1006发展主G4560权G7389可能受到冲击G452G3324G1209G991G15904G1006将表现得更为突出一是G3324国内G3800于市场成G19283G7411、外G7053G6496G6581专G7389技术G5194G3800于G3416断G3332位的技术G4506G19610型G15904G1006G712G3926G10135G8680G17730G7438、G11464G8981输电G1863键设G3803、G2334G2902入G5347水G12303G13864G2524G6922G2118G7438、G7438电一体化的G8785车发动G7438G19480G18209件等G727G1120是G2345G19764G7389G19492市场G19602G1209发G6393G1237G1006生G1147能力、G17855切需要G1852G10711市场G6915G6757的G15904G1006G712G3926G20652压G5332G1863、G3835型变压器、G20652档G12197学G1214器、G20652档数控系统、G7246能化G5049G1006控制系统等G727G989是国内外制造成本G11468G5058G17751G3835、外G7053G1151G7389G7138G7186的品G10272G1260势、G3324G2338设G2390可G1209G3324世界市场G14731G2474G1028G2414G2045G9082的G2183动G4506G19610型G6122G7143于G8981G17902的G16025G18209型G1147品G15904G1006G712G3926G10043G11468G7438、复G2372G7438、G18108分G5049G1006和G8677G11004G1214表、G20652品G17148低压电器等G4522、G5049G12255成套G15904G1006将G19766G1032更G1017G4815的G12466G1117G452随着G7393G2165G17164G7143G20058G3507对外G5332G6930G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19394题及其解决G7053G8873G452第七章G16772G5417G1114软硬件G13864G16855的G5785况G712G8991G16809的结G7536和结论学位论文11第二章嵌入式数控系统体系结构设计21数控系统体系结构G17902常一G1022数控系统的总体G7706G3282G3926G328221所G12046G712由控制系统、G1294G7393驱动系统和G1294G7393电G7438组成G452控制系统生成的G3364标G17736G17828动指G1208G712由FPGA进G15904细插G15929G712G7380G2530形成G14045冲G1030的形G5347发G17877G13485G1294G7393驱动系统G712G7380G2530G1294G7393驱动系统形成G17828动指G1208控制G1294G7393电G7438G17828转G452G328221数控系统的总体结构22技术要求本文G1209一G1022G989G17736G5332G10627数控系统为应G11004研究对G16949G712G6323设计一套基于ARM嵌入G5347G5506G3800G10714器和FPGA的嵌入G5347数控系统G712即G328221的控制系统G18108分G452G989G17736G5332G10627数控系统要求G3926G991学位论文12221主要性能指标可控制G17736数3G17736（G59G17736、G61G17736、第3G17736G62可定义为G60G6122CG64）G13864动G17736数G11464线3G17736G712G3290G5371G59、G61G1016G17736G17828动G17736信号输出G7053G5347G14045冲G711G7053向（G1016组信号G3355为G5058分输出）G14045冲G4497度G3051G173G86（G990G2331/G991G19489G8851G31G192G173G86）G7380G4579指G1208G2345位G59G17736G19G19G19G19G24G80G80G712G61G17736G19G19G191G80G80G7380G4579G12239动G2345位G59G17736G19G19G19G19G24G80G80G712G61G17736G19G19G191G80G80G7380G3835编G12255G4622G4556G102G28G28G28G28G28G28G28G80G80G7380G3835快G17907G12239动G17907度G3053G19G19G19G19G80G80/G80G76G81（对应G14045冲输出G20069G10587为G2412G46G43G93）切G2078进G13485G17907度G14551G32721G7941G24G19G19G19G80G80/G80G76G81（对应G14045冲输出G20069G10587为2G24G25G46G43G93）快G17907G12239动G1505G10587FG19、2G24G8、G24G19G8、1G19G19G8四级G712可实时G16855整（G6175动/G14270动G7053G5347G7389G6940）切G2078进G13485G1505G10587G19G7941G24G19G8十G1857级可实时G16855整（G63651G19G8G17894增）G14270动G2164减G17907线性/S型G7366线（G2164G17907、减G17907时G19400常数设G13634G14551G3272G194G19G19G19G80G86）G2345步进G13485增量G1552G1041、G1041G19、G1041G19G19、G1041G19G19G19G6175G17730进G13485增量G1552G1041、G1041G19、G1041G19G19、G1041G19G19G19电子G21843G17730变比G14551G32721/2G24G24G7942G24G24G15758G13453G4560G12255G14551G3272G1856制G19G19G191G794G24G19G19G80G80G712G14533制G19G19G252G244G19G19G19G10285/G14533G4556G1856/G14533制G2345G3848G3822G3848G11464G15758G13453、G19193G15758G13453G712G15758G13453G17876G4626G19283度可设定G15758G13453G2164G5049G7380G20652主G17736转G17907G3053G19G19G19G85G83G80（G15758G13453G2164G5049G7380G20652进G13485G17907度G3041G24G19G19G19G80G80/G80G76G81）可对G1363G11004的主G17736编码器的分G17788G10587（G14045冲/转）G1328为G2454数进G15904设G13634G712G14551G3272为1G19G19G19G7942G24G19G193G17736G1009G7450G2465向G19400G19565G15929G1619各G17736G19G794G25G24G243G24G80G80存储型G15758G17329G16835G5058G159293G17736各2G24G25G9869、G8611G9869327G257G794G14327G257G80G80学位论文13G1619G2004具功能可G17885G2004具数量1G25G6238G2004具G19283度G15929G161932组（G102G19G794G28G28G28G28G28G28G80G80）、G2004G4586G2334G5464G15929G1619（G15929G1619G7053G5347C）32组（G19G794G28G28G28G28G28G28G80G80）G2004位信号输入G7053G5347G27G5049位G1209内的G2004可G1209G11464接输入G712G1075可G1209编码输入（由G2454数G17885G6333）G712G17241G17819G27G5049位的G2004G7562G18331G11004编码输入G712编码G7053G5347为G37CG39码G6122G7696G19659码（由G2454数G17885G6333）G452G55代码G13489对换G2004/G6175动G11468对换G2004G452可G2345向G17885G2004G712G1075可双向G4613G17829G17885G2004G452主G17736功能S（G751G1120位数）可控G27级G7438械换G6389（G11464接输入和编码输入可G17885）S（G751四位数）位主G17736转G17907设G13634、模G6323输出G19G7941G19G57G39C电压（G2528时G6915持G27级G14270动换G6389M41G713M4G27）主G17736G17907度G1505G10587G24G19G812G19G8（1G19G8G17894增）G19658件G12255G5219容量2G24G25G46G37G2164G5049G12255G5219预G3800G10714G3053G8585（G19762G5502G10627指G1208G8585）G712要求G17907度G5191G9381G17819度、G2164G5049G17819G12255G8981畅G993G1584G20051G452222系统输入输出接口要求输入/输出接口说G7138输入口（4G19G1022）输出口（32G1022）名G12228定义名G12228定义固定输入接口24G1022固定输出接口1G25G1022G50G571G1505G10587信号1M3主G17736正转G50G572G1505G10587信号2M4主G17736G2465转G50G574G1505G10587信号3MG24主G17736G1584G50G57G27G1505G10587信号4MG27G1931G2376液G5332SP保持进G13485MG28G1931G2376液G1863学位论文14SG55G5502G10627G2563动M1G19G4626G5243进输出信号G55G191G55G191G2004位信号M11G4626G5243G17876输出信号G55G192G55G192G2004位信号M12卡盘G3853G13051G55G193G55G193G2004位信号M13卡盘G7506G5332G55G194G55G194G2004位信号M32G9082G9381G8845G5332G2563G55G19G24G55G19G24G2004位信号M33G9082G9381G8845G1863G19393G55G19G25G55G19G25G2004位信号G55G47G14正向换G2004信号G55G197G55G197G2004位信号G55G47G17139向换G2004信号G55G19G27G55G19G27G2004位信号G55G47SPG2004G7562制动G55CPG2004G7562G19157G13051信号SPG61G39主G17736制动G55G47SG55G2004G7562G17885G17902信号G601G25G39G40G59G59G17736减G17907信号G39G40G61G61G17736减G17907信号G39G40CCG17736减G17907信号G40SPG5625G1584输入G59G19G59G17736G19658位信号G61G19G61G17736G19658位信号CG19CG17736G19658位信号SG36R主G17736转G17907到达信号G6205展输入接口1G25G1022G6205展输出接口1G25G1022UG44G19UG441G24G4451G12255G5219指定输入G19G4451G12255G5219指定输出入1G24UG50G19UG501G24G4451G12255G5219指定输出G19G4451G12255G5219指定输出1G24G8892G29MG4441MG444G27G15G39G44G55G58G15G39G44G52PG15SPG40G49G15SG55G40G49G15G55G58G55G15G46PSG15G5914G15G591G25与UG44G19UG441G24复G11004G712SG191SG19G27G15M41M4G27与UG50G19UG501G24复G11004G452223精度指标G11464线插G15929精度G31G19G19G19G193G80G80学位论文15G3290G5371插G15929精度G31G19G19G19G19G24G80G80切G2078进G13485G17907度G16835G5058（与设定G1552）G31G1023G8快G17907G12239动G17907度G16835G5058（与设定G1552）G31G1021G19G8GG194延时指G1208G16835G5058G31G24G80G86G2164、减G17907时G19400常数G16835G5058G31G24G80G86系统各种G14045冲持G13505时G19400（与设G13634时G19400）精度G16835G5058G31G24G80G86224其他要求（1）G6817G1328界G19766和信号接口与广州数控的GSK980T一致G452（2）控制系统G18331G11004UC/OSIIG6817G1328系统G452（3）G7389G17751G3835的功能G6564G2331空G19400G45223总体结构分析根据数控系统所需G4448成的功能和需求G712G6117G1216G6238数控系统分为五G1022任G2165G712即人G7438界G19766G12661G10714任G2165、数据G3800G10714任G2165、G17828动控制任G2165、逻辑控制任G2165和辅助控制任G2165G712G1294G7393控制G712G8611G1022任G2165又可G1209划分为更G4579的子模块G452系统模块划分G3926G328222所G12046学位论文16G328222系统模块G3282系统的整G1022G17828G15904G8981G12255G7706G3282G3926G328223所G12046G452该系统根据键盘G6817G1328G17885G6333G993G2528的G6817G1328G7053G5347G452G991G19766G1209G14270动G17828G15904为例G712G11004G6155G17885G6333G14270动G17828G15904G2530G712G6365G991G2563动G6365钮则系统G11468应执G15904代码编译、G2004具G15929G1619、G17907度计算、插G15929和位G13634G1294G7393等各G1022阶G8585控制G7438G5214的G17828动G452学位论文17G328223数控系统的总体G17828G15904G8981G12255G7706G328224软硬件功能划分241软硬件功能划分的原则随着芯片设计和制造技术水G5191的发展G712G5506G3800G10714器的G17828算G17907度得到很G3835G6564G20652G712因此很G3822传统G990G5529G20047由硬件实现的功能现G3324可G1209G1363G11004软件实现G452与此G2528时G712G17829G5192学位论文18来G712FPGA技术的G6564G20652和G3835容量、低成本的G7044型FPGA的出现G712为G20652性能的数字控制系统G6564供G1114G7044的实现G7053G8873G452可G1209说G712G1209嵌入G5347G5506G3800G10714器和FPGA为核心的系统设计技术代表G1114现代数控系统的软件和硬件实现G7053G8873G452但是G712G5506G3800G10714器的G17828算资源和FPGA的逻辑资源还是G7389G19492的G712而G1000G5506G3800G10714器擅G19283的是G1030G15904的数据G3800G10714G712而FPGA擅G19283的是G5194G15904的逻辑G3800G10714G452因此G4613出现G1114功能实现的软硬件划分的G19394题G452需要G8892G5859的是G712G17837里所指的G7389软硬件划分需要的功能G18129是那G1135既可G1209G11004软件实现又可G1209G11004硬件实现的功能G712具体到实G19481的物G10714系统中G712G4613是那G1135既可G1209G11004G5506G3800G10714器系统实现G1075可G1209G11004FPGAG6122者模G6323器件实现的功能G452G3324软硬件划分的G19394题G990G712一般遵G5502G1209G991几G1022原则1性能原则G452G993G12661G1363G11004软件还是硬件实现特定的功能G712首先要满足性能要求G712G17837是G7380重要的G452比G3926对于所G7389的模G6323功能G712虽然G7389模G6323FPGA出现G712但是其技术还G993成熟G712而数字G14045冲输出G2164滤波的G7053G8873G3324G11468应G17907度、精度G990无G8873与模G6323器件G11468比G712因此G7186然是G5529G20047由模G6323器件G712G1075G4613是硬件来实现G4522性价比原则G452G3835容量FPGAG10714论G990和实G19481G990G18129可G1209G4448成本系统所要实现的G1852G18108数字功能G712但是G1363G11004昂贵的FPGA来实现G7234G17902的G5506G3800G10714器G4613可G1209实现的功能是一种巨G3835的浪费G452G2528时G712为G1114G16765本系统的某G1135功能G11004软件实现而G18331G11004G17241G20652G17907的G5506G3800G10714器G1075是一种浪费G452因此G712可G1209说对于本系统来说G712G7380重要的是分析对于G2528一G1022功能G712是G11004G5506G3800G10714器来实现所需要的成本低还是G11004FPGA来实现所需要的成本低G4523资源G2045G11004G10587原则G452G7044型的G5506G3800G10714器往往G19610成G1114G3835量的外G3272器件G712比G3926G1030口、计数器、PWM、AD等等G712G1075G4613常说的片G990系统G713SOC（SYSTEMONCHIP）G712G3324性能G11468G2528的G5785况G991G712价G7696G2376比分立系统低廉G452因此G712很G3822系统G19766G1032的G5785况是G1363G11004G1114SOC芯片G1209G2530G712G993但可G1209实现那G1135符G2524G20652性价比原则的功能G712还会G7389一G1135剩余的资源G712比G3926G5506G3800G10714器的计算资源G452FPGA的G1363G11004特G9869决定G1114G993能G4448G1852G6365G10043估计的实G19481逻辑资源G1363G11004量去G17885型G712而是要G17885G6333逻辑容量比实G19481可能需要的G7380G3835容量还要G383530的型号G452而G2528一G1022系G2027的FPGA里虽然G7389内G18108逻辑资源容量G993G2528的G3822种型号G712但是找到G4448G1852符G2524G17885型要求的器件的G7438会还是比G17751G4579的G712因此G