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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于SOPC技术的开放式数控系统硬件平台开发 姓名：左自辉 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：唐小琦 20080521 I 摘摘 要要 开放式数控系统可解决传统封闭式数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界 面不灵活等问题，是现代数控系统的发展方向。论文紧跟嵌入式系统发展趋势，采 用一种新的嵌入式系统设计技术SOPC（片上可编程系统）开发了一种开放式数 控系统硬件平台。 本文研究了开放式系统的特征和体系结构， 开发出基于 NC 嵌入 PC 的主从型结 构的开放式数控系统硬件平台。作为主机的上位机采用通用工业控制计算机，主要 负责系统的人机界面、文件管理
2、等弱实时性任务；而作为从机的下位机则采用自主 设计的基于 SOPC 技术的 NC 平台，负责系统的插补和运动控制等强实时性任务。 整个系统层次清晰，并通过各种形式向外提供统一的规范接口，易于系统扩展；系 统硬件平台具备可移植性、可扩展性、可操作性和可缩放性等特点，可根据不同用 户的需求，迅速、高效、低成本地构建面向用户的控制系统。 并行总线作为开放式数控系统各模块之间的数据接口，具有成本低、组态灵活 等特点。开放式数控系统各个模块间通过并行总线接口可以方便、灵活地实现不同 的组态，可有效增强硬件模块的灵活和兼容性。本文详细研究了几种并行总线接口 的解决方案，分别开发 ISA 总线接口、PCI
3、总线接口以及 DMA 通道传输。数据传输 过程中通过双端口 RAM 进行数据交互， 有效地实现上、 下位机之间的实时数据通信。 本文在 SOPC 解决方案中，利用 FPGA 中的可编程逻辑资源和 IP 软核来构成 Nios II 嵌入式系统， 对系统进行测试， 验证了本系统方案设计的正确性和基于 Nios II 处理器实现可编程片上系统的可行性。尝试用新的 SOPC 技术，在软、硬件开发过 程中，缩短设计开发周期，达到应用功能的快速实现，节约开发成本，优化性能和 资源。 关键词：关键词： 开放式数控系统 嵌入式系统 片上可编程系统 Nios II 系统 双端口 RAM 现场可编程逻辑门阵列 I
4、I Abstract Open CNC System has solved many problems of the Traditional Closed System, such as bad compatibility, bad extensibility of its function, awful flexibility. The open style has become the direction of modern numerical technologys development. Following on the heel on the development of embe
5、dded system, this thesis develops a Hardware platform of Open CNC System using a new technology of embedded system designSOPC. After analyzing the characteristics and system structure of the Open CNC System, this thesis develops a NC-embedded PC structure based on Open CNC System Hardware Platform,
6、which has master-slave architecture. As a host, the master adopts the general industrial computer, which takes charge of weak real time tasks such as HMI function and document management function; the slave adopts NC platform based on the SOPC technology, which takes charge of hard real time tasks i
7、ncluding interpolation, motion control etc. The whole system can be expanded easily, because it has clear level structure, and provides a unified interface through various forms; the system hardware platform has many features, such as portability, operability and scalability. Also, according to diff
8、erent user needs, it can build user-oriented control system rapidly, efficiently and cost-effectively. As the Open CNC System data interface between the modules, the Parallel Bus has low cost, flexible configuration features etc. Each module of the Open CNC System can achieve different configuration
9、s conveniently and flexibly through the Parallel Bus Interface, this can enhance the flexibility and compatibility. This thesis discusses several solutions of Paralel Bus Interface detailedly, and develops ISA Bus Interface, PCI Bus Interface and DMA channel transmission. In the course of data trans
10、mission, the real-time data communication can be realized between master and slave through the daul-port RAM. In the realization process of SOPC solutions, we use the programmable logical resources and the IP core to make up of the Embedded System. The system design is realized and validated success
11、fully by the result of testing. The feasibility of SOPC based on Nios II processor is validated too. Try the new SOPC technology in development of software and hardware design. It shortens the design period, saves upgrade cost and optimizes the performance and resources. Key words: Open CNC System,
12、Embedded System, System on a Programmable Chip, Nios II System, Double Port RAM, Field Programmable Gate Array 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完
13、全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景、课题来源及意义课题研究背景、课题来源及意义 20 世纪 90 年代后期，随着计算机软、硬件技术和信息技术的迅速发展，数控 系统逐渐从
14、传统的专用型封闭式系统向灵活的开放式数控系统转变。数控系统体系 结构的转变，使得数控系统能够充分利用计算机的软件和硬件资源，根据控制对象 的不同要求，灵活地变更软、硬件组成，力求解决变换频繁的需求与封闭控制系统 之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台。这种平台具有模块化组织结 构，允许用户根据需要进行选配和集成、更改或扩展系统功能，以便迅速适应不同 用户的应用需求。因而，开放式体系结构成为现代数控系统的发展趋势。开放式数 控系统的主要目的是解决复杂变化的市场需求与控制系统专一的固定模式之间的矛 盾，使数控系统易变、紧凑、价廉，并且具有很强的适应性和二次开发性。 本文研究的是 NC 嵌入
15、 PC 型的开放式数控系统。PC 机采用工业控制计算机， 而 NC 模块则是采用自主设计的基于 SOPC 技术的 NC 平台。NC 嵌入 PC 型开放式 数控系统采用了模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的规范接口， 易于系统扩展，系统硬件平台具备可移植性、可扩展性、可操作性和可缩放性等特 点，因而，具有开放性特点。可根据不同用户的需求，迅速、高效、低成本地构建 面向用户的控制系统。 本课题得到以下科研项目的资助： 1) 国家 973 项目 “高速数控机床动态行为演变及其高精度控制” (编号： 2005CB724100)； 2) 湖北省重大科技专项“中高档数控系统及制造装备产业化”
16、 (编号： 2006DAE104)。 1.2 课题研究现状及发展趋势课题研究现状及发展趋势 1.2.1 开放式数控系统开放式数控系统 近年来，为了解决传统数控系统封闭式体系结构存在的问题，西方各工业发达 2 国家相继提出开放式体系结构的数控系统计划，如美国的 NGC 计划，日本和欧洲 分别提出的 OSEC 和 OSACA 计划。开放式数控系统的主要研究目的是要解决变化 频繁的需求与封闭的控制系统结构之间的矛盾，建立一种新型的模块化、可重构、 可扩充的控制系统结构，使数控系统的功能柔性化，能够快速而有效地响应新的加 工需求1 2。当前，开放式数控系统己经成为 CNC 发展的潮流。 目前国内外研究中，开放式数控系统具有以下几种体系结构3。 第一种模式，PC 嵌入 NC 结构的开放式数控系统。这种系统的基本结构为 CNC+PC 主板，即把一块 PC 主板插入传统的 CNC 控制器中。CNC 控制器完成插 补、位置控制、PLC 时序逻辑控制等实时控制任务。PC 板完成一些非实时控制任 务如网络通讯等，作为用户与
