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基于ARM和FPGA的雕刻机控制系统的研究

作　者: 范建锋
导　师: 张团善
学　校: 西安工程大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 嵌入式系统 ARM FPGA DDA插补雕刻机 WindowsCE
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

数控技术直接反映了一个国家的制造业水平。我国作为一个制造业大国，数控技术与国外先进水平仍有一定差距，必须要加快数控系统的自主研发和制造能力。目前市场上主要还是以PC为平台的数控系统，功能强大却也存在着资源浪费，占用空间大等缺点。随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式系统以强大的可定制性、低廉的成本和优异的性能，被逐步运用到了数控系统中，推动数控技术的变革。各大数控企业和高校都纷纷投入到了大量的人力物力进行研发，而且推出了具有自主产权的控制系统。本课题是在这一趋势下，与雕刻机生产企业进行合作，将嵌入式控制技术应用到数控雕刻机系统的一次尝试。在本课题设计的控制系统中，系统采用嵌入式微处理器ARM9+FPGA架构，ARM芯片作为上层管理平台，主要实现人机交互、数据读取识别以及程序管理等功能；FPGA主要实现完成插补以及加减速控制等。选取嵌入式系统来设计控制系统平台，大大降低了开发成本，缩短了开发周期，并且增加了系统的灵活性和稳定性。本文首先对硬件平台作了详细的讲解，然后在第四章中介绍管理平台在ARM上的实现，通过在ARM9平台上移植WindowsCE嵌入式操作系统形成自己独特的系统平台，然后在该平台上实现对任务的调度以及人机界面的开发。最终实现了对雕刻数控代码的读取，识别以及界面的管理以及雕刻的实时显示等功能。对电机的控制是通过FPGA编程实现的，本课题研究的是以步进电机为控制对象的开环控制系统。对步进电机的控制主要包括运动轨迹和转动速度的控制，通过对比选用了DDA插补以及S曲线加减速算法，然后在FPGA上进行了验证。论文在最后部分介绍了本课题的硬件和软件系统的调试过程以及出现的问题和注意事项，特别是在PCB的设计中，需要考虑很多方面的电磁兼容性，为今后的工作打下了良好的基础。本课题采用ARM与FPGA相结合的系统方案，完全能够满足雕刻机对精度、速度和实时性等方面的要求。并且由于采用模块化的设计，使得系统具有较强的可定制性和扩展性，提高了系统的稳定可靠度，同时也方便升级和维护。但同时也看到了系统仍存在着不足不处，需要在今后作进一步的改进和完善。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
1 绪论  7-13
  1.1 数控雕刻机系统  7-9
    1.1.1 发展现状  7-8
    1.1.2 数控雕刻机的发展趋势  8-9
  1.2 嵌入式系统概述  9-11
    1.2.1 嵌入式系统的特点  9-10
    1.2.2 嵌入式系统在工业控制上的应用  10-11
  1.3 研究意义以及论文的主要内容  11-13
    1.3.1 课题研究意义  11-12
    1.3.2 论文的主要内容  12-13
2 雕刻机控制系统总体设计  13-20
  2.1 三轴雕刻机的结构与控制原理  13-14
  2.2 芯片选择  14-17
    2.2.1 ARM 处理器选型  14-16
    2.2.2 FPGA 芯片选择  16-17
  2.3 系统开发流程  17-18
  2.4 系统方案与可行性  18-20
    2.4.1 系统方案的确定  18-19
    2.4.2 系统方案的可行性分析  19-20
3 硬件电路  20-28
  3.1 A RM 部分电路  20-24
    3.1.1 电源电路  20-21
    3.1.2 复位电路  21
    3.1.3 调试接口电路  21-22
    3.1.4 串行通信接口电路  22
    3.1.5 USB 接口电路  22-23
    3.1.6 LCD 屏接口电路  23
    3.1.7 存储器模块  23-24
  3.2 F PGA 部分电路  24-26
    3.2.1 FPGA 电源电路  24-25
    3.2.2 配置电路  25
    3.2.3 E~2PROM 电路  25-26
  3.3 ARM 与 FPGA 接口电路  26-28
4 雕刻机人机界面设计  28-38
  4.1 嵌入式操作系统  28-31
    4.1.1 常见嵌入式操作系统介绍  28-30
    4.1.2 Windows CE 操作系统  30-31
  4.2 人机界面的设计  31-38
    4.2.1 Windows CE 驱动开发  32-35
    4.2.2 界面软件设计  35-38
5 雕刻机控制算法与 FPGA 实现  38-53
  5.1 FPGA 内部功能规划  38-40
  5.2 轨迹插补算法与实现  40-46
    5.2.1 DDA 圆弧插补  40-42
    5.2.2 DDA 圆弧插补的 FPGA 实现[47] [49]  42-46
  5.3 速度控制算法与实现  46-53
    5.3.1 梯形加减速  47
    5.3.2 指数型加减速  47-48
    5.3.3 S 型曲线加减速  48-51
    5.3.4 S 加减速 FPGA 的实现  51-53
6 系统实现及调试  53-58
  6.1 PCB 的电磁兼容  53-54
  6.2 系统的硬件调试  54-55
  6.3 系统的软件调试  55-56
    6.3.1 ARM9 软件调试  55-56
    6.3.2 FPGA 软件调试  56
  6.4 系统调试实物  56-58
7 总结与展望  58-60
  7.1 总结  58-59
  7.2 展望  59-60
参考文献  60-63
附录  63-69
攻读学位期间发表文章  69-72
致谢  72

基于ARM和FPGA的雕刻机控制系统的研究

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