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基于FPGA的NURBS曲线插补技术的研究

作　者: 于戈
导　师: 唐伟
学　校: 山东大学
专　业: 机械电子工程
关键词: NURBS曲线插补速度 FPGA 软硬件结合设计
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着工业需求和人们审美水平的提高,复杂型面越来越多的应用于实体造型,NURBS凭借其在数学和算法上的良好性质得到了广泛应用,但采用传统数控加工方法加工NURBS造型设计插补数据量大,容易造成加工零件表面不光滑,加工效率低,因此开展支持NURBS曲线直接插补技术的研究已迫在眉睫。NURBS曲线直接插补算法复杂、计算量大,提高插补速度和精度的本质在于提高插补器的计算速度。为了能开发出满足NURBS曲线插补运算速度要求的插补器,本文从插补算法和硬件平台两个方面展开了研究。NURBS曲线插补过程主要包括两个步骤：根据插补精度反求曲线参数值和根据参数值求取曲线上的轨迹点。在分析两次计算的特征后本文提出了一种新的NURBS曲线直接插补策略：在不影响插补速度的基础上尽量减少参数值计算所用时间,允许可接受的计算误差；利用FPGA可并行执行优势采取硬件方式执行由参数值到曲线轨迹点的计算,以提高复杂计算的运算速度。利用SOPC技术,整个系统开发在一块Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片上完成。采用软硬件结合方法,首先定制了Nios Ⅱ软核处理器,执行NURBS曲线插补预处理工作和参数值计算任务；采用Verilog HDL完成了轨迹点的硬件并行计算。为了降低通讯负担,利用FPGA内部资源实现了参数值由软核到硬件的传输。实验中基于Nios Ⅱ IDE平台开发了人机交互界面,可以将NURBS曲线的各个参数输入给插补器,软件插补模块和硬件插补模块需要将这些参数分别保存起来,以便后续利用。最后,对NURBS曲线直接插补系统进行了实验研究,实验数据表明,完成一次插补计算的耗时为0.5ms,缩短了插补耗时。纯软件对比方案设计实验显示,FPGA硬件执行数值计算优势明显,计算速度相对前者提高了约30倍。

全文目录

目录  4-7
CONTENTS  7-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第1章绪论  13-21
  1.1 引言  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-19
    1.2.1 数控技术研究现状  14
    1.2.2 插补技术研究现状  14-15
    1.2.3 NURBS曲线插补技术研究现状  15-16
    1.2.4 FPGA发展及其应用现状  16-18
    1.2.5 NURBS插补运动控制器研究现状  18-19
  1.3 论文的研究意义和主要内容  19-21
    1.3.1 论文的研究意义  19
    1.3.2 论文的主要研究内容  19-21
第2章 NURBS曲线插补理论计算与分析  21-31
  2.1 NURBS曲线基础知识概述  21-23
    2.1.1 参数曲线在实体造型中的优势  21-22
    2.1.2 NURBS曲线的定义  22
    2.1.3 NURBS曲线的主要性质  22-23
  2.2 NURBS曲线插补理论与方案设计  23-26
    2.2.1 数控插补原理概述  23-24
    2.2.2 NURBS曲线直接插补方案设计  24-26
  2.3 NURBS曲线插补的相关计算  26-29
    2.3.1 参数值求取计算  26-27
    2.3.2 轨迹点求取计算  27-29
  2.4 本章小结  29-31
第3章基于FPGA的NURBS插补架构设计及NiosⅡ应用开发  31-47
  3.1 FPGA设计的特点和优势分析  31-32
  3.2 插补器架构设计  32-36
    3.2.1 需求分析与架构设计  32-33
    3.2.2 FPGA器件选型  33-34
    3.2.3 SOPC系统开发流程  34-36
  3.3 Nios Ⅱ软核处理器性能分析  36-41
    3.3.1 Nios Ⅱ软核处理器概述  36-37
    3.3.2 NiosⅡ系统设计与定制  37-40
    3.3.3 用户自定义硬件模块  40-41
  3.4 软件设计  41-45
    3.4.1 应用程序开发基础  41-42
    3.4.2 软件开发设计  42-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章 NURBS曲线硬件插补设计开发  47-61
  4.1 基于FPGA的硬件模块开发概述  47-50
    4.1.1 FPGA硬件参与NURBS曲线插补计算的优势  47-48
    4.1.2 硬件描述语言及其可综合性  48
    4.1.3 硬件开发流程分析  48-50
  4.2 硬件插补模块设计  50-59
    4.2.1 硬件插补模块功能分析  50-51
    4.2.2 数据接收与处理  51-52
    4.2.3 基函数计算  52-58
    4.2.4 轨迹点计算  58-59
  4.3 本章小结  59-61
第5章系统整合与实验  61-69
  5.1 系统整合  61-63
  5.2 系统实验  63-66
    5.2.1 系统时序收敛验证  63-64
    5.2.2 系统实验分析  64-66
  5.3 纯软件系统和软硬结合系统的计算方案对比分析  66-68
    5.3.1 纯软件系统的实验性设计  66-67
    5.3.2 纯软件系统和软硬结合系统性能对比分析  67-68
  5.4 本章小结  68-69
总结与展望  69-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
学位论文评阅及答辩情况表  76

基于FPGA的NURBS曲线插补技术的研究

内容摘要

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