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1、 题题 目目 基基于于 F FP PG GA A 的的 P PC CI I 接接口口运运动动控控制制卡卡的的研研究究 硕硕士士学学位位论论文文四川大学硕士学位论文四川大学硕士学位论文 基于基于 FPGA 的的 PCI 接口运动控制卡的研究接口运动控制卡的研究1基于 PCI 的嵌入式运动控制系统的研究制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱，制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场革命中，大力发展先进的制造技术已成为各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。数控技术是用
2、数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是先进制造技术的基础，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本的装备，是制造业现代化的重要基础，这个基础牢固与否将直接影响到国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。运动控制器是以中央逻辑单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。对于数控系统来说，最重要的是控制各个电机轴的运动，这是运动控制器接收并依照数控装置的指令来控制各个电机轴运动从而实现数控加工的，数据加工中的定位控制精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制器直接相关。目前对数控系统的研究都集中在插入 PC 的 NC 控制器的研究上，而其核
3、心部分就是对步进、伺服电机进行控制的运动控制卡的研究。对 PC-NC 来说，运动控制卡的性能很大程度上决定了整个数控系统的性能，而微电子和数字信号处理技术的发展及其应用，使运动控制卡的性能得到了不断改进，集成度和可靠性大大提高。本课题通过对运动控制技术的深入研究，并针对国内运动控制技术的研究起步较晚的现状，结合当前嵌入式领域的具体需要，紧跟当前运动控制技术研究的发展趋势，吸收了数控技术和相关运动控制技术的最新成果，提出了基于PCI 和 FPGA 的方案 ，研制了一款比较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的四轴多功能运动控制卡。本课题的具体研究主要有以下几方面：四川大学硕士学位论文四川大学硕士学位
4、论文 基于基于 FPGA 的的 PCI 接口运动控制卡的研究接口运动控制卡的研究2首先，通过对运动控制卡及嵌入式系统等行业现状的全面调研，和对运动控制技术的深入学习，在比较了几种常用的运动控制方案的基础上，提出了基于 FPGA 的运动控制设计方案，并规划了板卡的总体设计。其次，根据总体设计，规划了板卡的结构，详细划分并实现了 FPGA 各部分的功能；利用光电隔离原理设计了数字输入/输出电路。再次，利用 FPGA 的资源实现了 PCI 从设备接口，达到跟控制卡通信的目的，针对运动控制中的一些具体问题，如运动平稳性、实时控制以及多轴联动等，在 FPGA 上设计了四轴运动控制电路，定义了各个寄存器的
5、具体功能，设计了功能齐全的加/减速控制电路、变频分配电路、倍频分频电路和三个功能各异的计数器电路等，自动降速点运动、A/B 相编码器倍频计数电路等特殊功能。最后，进行了本运动控制卡的测试，实现了全数字测速在本运动控制卡中的应用，从测试和应用结果来看，该卡达到预期的要求。关键词：PCI 数控 运动控制卡 FPGA四川大学硕士学位论文四川大学硕士学位论文 基于基于 FPGA 的的 PCI 接口运动控制卡的研究接口运动控制卡的研究3The Research of Motion Control BoardBased on FPGACandidate：QinQin Supervisor： Lei Yon
6、gMotion Controller (MC) is a control device that regards its central logic unit as the core, sensor as the sensitive component, and electromotor or executive unit as the controlled object. MC is very important in the ONCS, because it is the most important to control the movement of the motor of each
7、 axis in the NC system and the precision of position control and performance of velocity adjusting are directly related to MC. In the present, all of the researches of ONCS focus on that of the PC-based NC control device, whose key is the research of Motion Control Board (MCB) which is used to contr
8、ol stepping or servo motor. To PC-NC, in some degree, the performance of MCB decides that of the whole NC system, further more, the development and application of technology of macroelectronics and Digital Signal Processing continuously improve the performance of MCB and greatly increase the level o
9、f integration and dependability.During the research, through the overall survey of ONCS and deep study of Motion Control Technology (MCT), facing the behindhand actuality of research of domestic MCT, to meet the practical requirements of the laser carving field, following the developing trend of the
10、 present MCT, drawing on the new production of the present ONCS and relating MCT, bringing forward the solution based on FPGA, we have developed a four-axis multifunctional MCB which is very original, powerful and flexible.In the paper, there are the following major contents:Firstly, through the ove
11、rall survey of ONCS, embedded system and MCB, and 四川大学硕士学位论文四川大学硕士学位论文 基于基于 FPGA 的的 PCI 接口运动控制卡的研究接口运动控制卡的研究4deep study of MCT, after comparing the common solutions of motion control, we brought forward the solution of motion control based on FPGA, and made out the whole design solution of board.Sec
12、ondly, according to the whole design solution, we figured out the whole architecture of board, and plotted out and implemented the respective function of FPGA in detail. Further more, we designed digital input/output circuit according to the principle of photoelectricity isolation, four-channel anal
13、og output circuit by the priciple of DAC and put forward effective anti-jamming measures in allusion to common jamming phenomena.Thirdly, in allusion to some prcatical problems in the motion control, such as high speed, high precision, motion stabilization, real-time control and muti-axis contouring
14、 control, etc, we designed a four-axis MCB in the FPGA. We defined the functions of all of the registers in detail, designed perfect Acceleration/ Deceleration Control Circuit, Variable Frequency Divider Circuit, Multiplication Factor Frequency Divider Circuit and three different counter circuits, a
15、chieved special functions of the S-curve Acceleration/ Deceleration Control, Ramping-down Point Counter 读启动，此时侯（配置读，IO 读，存储器读） ，这个表格不讨论有除控制卡以外 PCI 从设备的信号状态，同时这些信号都是刚进入状态机各个状态时第一个 CLK 上升沿的状态状态机状态STOP 信号状态FRAME信号状态TRDY信号状态IRDY信号状态DEVSEL信号IDSELCBE3.0AD31.0备注Idel1111110X可能别的设备在访问dev_st1101101命令地址IDSEL 只
16、在配置读写命令有效cfg_rd_st1101000Xcfg_rd_st2100000协议数据这个状态读数据stop_st1001100cfg_rd_st31 或者 011100四川大学硕士学位论文四川大学硕士学位论文 基于基于 FPGA 的的 PCI 接口运动控制卡的研究接口运动控制卡的研究28读状态机的各个状态转换图以及状态转换条件如下：写状态机： type cfg_wr_state is (idle2,dev_st2,cfg_wr_st1,cfg_wr_st2,cfg_wr_st3,stop_st2);当写启动时候有可能是（配置写，IO 写，存储器写） ，这个表格不讨论有除控制卡以外 PCI 从设备的信号状态，同时这些信号都是刚进入状态机各个状态时第一个 CLK 上升沿的状态状态机状态STOP信号状态FRAME 信号状态TRDY信号状态I
