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5D电影动感体验平台运动控制卡设计

作　者: 高原
导　师: 管雪元
学　校: 南京理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 5D电影动感体验平台四轴运动控制卡 DSP FPGA PCI WinDriver
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着经济的多元化发展,娱乐市场通过市场的自然考验成为唯一在经济危机中可以逆市坚挺发展的行业,被经济学界公认为“娱乐盈利”模式。电影是在众多娱乐模式中,普及率最快的一种可盈利载体。5D电影在3D电影的基础上增加了动感体验平台和环境特效,使观众可以与电影中的角色进行互动。在3D的基础上有着更先进、更真实超强体验无与伦比的局面,市场前景可见一斑。5D电影动感体验平台属于多自由度运动平台,拥有多个轴(驱动杆),需要多个电机共同控制。为了对5D电影动感体验平台进行多轴运动控制,本文设计开发了一款高性能、低成本的四轴运动控制卡,并解决了硬件电路设计、轨迹控制、PCI设备驱动等关键技术问题,通过试验验证了板卡的性能。首先,给出了运动控制卡硬件系统总体方案,重点对板卡硬件系统进行了分模块设计,包括DSP模块、FPGA模块、PCI控制接口模块以及外围接口模块(端子板)等。为了降低板卡硬件设计的复杂度,提高板卡的稳定性和性价比,本设计在FPGA内部用硬件思想实现了精插补器、编码器反馈、计数器、通用数字IO接口和双口RAM等功能模块。从开发驱动的角度,本设计采用WinDriver工具开发了PCI控制接口设备驱动程序,根据API函数开发执行流程,重点对IO/Memory读写和Interrupt进行了处理。最后,对板卡硬件系统进行了基础调试,调试表明了运动控制卡硬件系统电路及PCI控制接口设备驱动设计正确。在此基础上,将四轴运动控制卡用在六自由度动感体验平台全闭环控制系统中进行运动控制试验,运动控制试验结果也基本满足设计要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 引言  8-9
  1.2 运动控制系统研究现状与未来发展趋势  9-11
    1.2.1 运动控制系统研究现状  9-10
    1.2.2 运动控制系统未来发展趋势  10-11
  1.3 运动控制器概述  11-12
  1.4 课题研究目的及主要内容  12-14
    1.4.1 课题研究目的  12-13
    1.4.2 各章节主要内容  13-14
2 运动控制卡硬件系统总体设计  14-22
  2.1 系统概述  14-15
  2.2 四轴运动控制卡性能指标  15
  2.3 四轴运动控制卡硬件系统规划  15-21
    2.3.1 主控单元  16-19
    2.3.2 主机PCI总线通信接口  19-20
    2.3.3 外围接口  20-21
  2.4 本章小结  21-22
3 硬件系统电路设计  22-41
  3.1 DSP模块设计  22-27
    3.1.1 电源设计  22-23
    3.1.2 基于锁相环的时钟设计  23-24
    3.1.3 JTAG仿真接口设计  24-25
    3.1.4 外部接口扩展原理与设计  25-27
  3.2 FPGA模块设计  27-30
    3.2.1 电源电路设计  27
    3.2.2 配置电路设计  27-30
  3.3 PCI控制接口模块设计  30-36
    3.3.1 PCI卡连接器接口设计  30
    3.3.2 PCI9052芯片串行EEPROM配置  30-32
    3.3.3 PCI9052芯片数据传输电路设计  32-35
    3.3.4 PCI模块设计注意事项  35-36
  3.4 外围接口模块设计  36-39
    3.4.1 轴脉冲输出电路设计  36-37
    3.4.2 编码器差分输入电路设计  37
    3.4.3 通用数字IO信号电路设计  37-39
  3.5 板卡PCB设计要点  39-40
  3.6 本章小结  40-41
4 FPGA内部功能模块设计  41-58
  4.1 FPGA模块开发流程  41-42
  4.2 FPGA运动控制模块设计  42-55
    4.2.1 精插补模块设计  42-49
    4.2.2 编码器反馈模块设计  49-51
    4.2.3 计数器模块设计  51-54
    4.2.4 通用数字IO接口模块设计  54-55
  4.3 FPGA双口RAM模块设计  55-57
    4.3.1 伪双口RAM模块设计及时序仿真  55-56
    4.3.2 伪双口RAM中断防冲突设计  56-57
  4.4 本章小结  57-58
5 PCI9052设备驱动程序开发  58-65
  5.1 WDM设备驱动程序简介  58-59
  5.2 WinDriver工作原理  59-60
  5.3 用WinDriver开发PCI9052设备驱动程序  60-64
    5.3.1 WinDriver开发步骤  60-62
    5.3.2 设计PCI9052驱动程序  62-64
  5.4 本章小结  64-65
6 运动控制卡硬件系统调试及平台运动控制试验  65-76
  6.1 运动控制卡硬件系统各模块调试  65-68
    6.1.1 DSP模块调试  65-66
    6.1.2 FPGA模块调试  66-67
    6.1.3 PCI接口模块调试  67-68
  6.2 PCI接口系统空载联调  68-70
  6.3 动感体验平台运动控制试验  70-75
  6.4 本章小结  75-76
7 论文总结与研究展望  76-78
  7.1 论文总结  76-77
  7.2 研究展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-82
附录A  82-83
附录B  83

5D电影动感体验平台运动控制卡设计

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