基于ARMS和FPGA的嵌入式數控系統(tǒng)設計

摘要：提出了一種基于ARM和FPGA的嵌入式數控系統(tǒng)設計方案。詳細介紹了ARM系統(tǒng)的軟硬件設計，基于FPGA的硬件精插補實現方法以及數控系統(tǒng)的加減速控制策略。該系統(tǒng)將ARM運行速度快、計算精度高的優(yōu)點和FPGA內部邏輯的在線可重構性等特點相結合，提高了資源利用率和實時性，增強了數控系統(tǒng)的靈活性。仿真和實踐結果表明，整個控制系統(tǒng)具有實時性好、低成本、高性能等優(yōu)點。

關鍵詞：ARM;FPGA;數控系統(tǒng);插補

0 引言

現有的數控系統(tǒng)中多采用工控機加運動控制卡的計算機數控系統(tǒng)方案進行運動控制器的設計。隨著工控機整體功能日趨復雜，對運動控制系統(tǒng)的體積、成本、功耗等方面的要求越來越苛刻?，F有計算機數控系統(tǒng)在運動控制方面逐漸呈現出資源浪費嚴重、實時性差的劣勢。此外，數控系統(tǒng)的開放性、模塊化和可重構設計是目前數控技術領域研究的熱點，目的是為了適應技術發(fā)展和便于用戶開發(fā)自己的功能。本文基于ARM和FPGA的硬件平臺，采用策略和機制相分離的設計思想，設計了一種具有高開放性特征的嵌入式數控系統(tǒng)。該數控系統(tǒng)不僅具備了以往大型數控系統(tǒng)的主要功能，還具備了更好的操作性和切割性能，而且在開放性方面優(yōu)勢更為突出，使數控系統(tǒng)應用軟件具有可移植性和互換性。

1 基于ARM和FPGA的嵌入式數控系統(tǒng)整體方案

基于ARM和FPGA的嵌入式數控系統(tǒng)結構如圖1所示。按照模塊劃分的思想，本文將控制器分為人機交互、插補算法和通信三部分。系統(tǒng)中ARM采用三星公司推出的16/32位RISC微處理器S3C2440A，它采用了ARM920T內核，核心頻率高達400MHz。FPGA采用Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

2 S3C2440A控制系統(tǒng)

ARM作為數控系統(tǒng)的控制核心主要負責對從數據存儲器中讀取或直接從上位PC或網絡獲得的零件加工代碼和控制信息進行譯碼、運算、邏輯處理，完成加工數據的粗插補以及人機界面和數據通信。ARM系統(tǒng)是整個數控系統(tǒng)的控制核心，在嵌入式操作系統(tǒng)的管理下，采用分時處理的方式實現整個系統(tǒng)的信息處理和粗插補運算，通過鍵盤、觸摸屏等輸入裝置輸入各種控制指令，對數控系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)通過LCD、指示燈等顯示，實現人機友好交互?；赟3C2440A控制器有各種通信接口，包括RS232、RS485、以太網口、USB等接口模塊。通過這些接口實現文件傳輸和網絡控制。

嵌入式數控的軟件系統(tǒng)總體結構如圖2所示。系統(tǒng)的軟件結構主要分為兩部分：操作系統(tǒng)軟件和數控應用軟件。由于數控系統(tǒng)是個實時多任務系統(tǒng)，實時性要求很高，為保證各個任務的協(xié)調執(zhí)行，本系統(tǒng)采用了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺。

要實現該操作系統(tǒng)在S3C2440A微處理器平臺上的正常運行，需要修改與處理器類型有關部分的代碼，操作系統(tǒng)移植需要完成的工作是改寫三個文件，即改寫文件0S_CPU.H、0S_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C。其中0S_CPU.H包括了用#define語句定義的，與處理器相關的變數、宏和類型。0S_CPU_A.ASM中定義了幾個匯編語言函數，包括中斷服務程序的中斷向量地址等。如果某些C編譯器允許在C語言中直接插入匯編語言語句，就不一定需要，用戶可以把所需的匯編語言代碼直接放到OS_CPU_C.C文件中。

3 ARM和FPGA的接口設計

為使系統(tǒng)能夠按照預期設計良好工作，首先要從硬件上實現ARM和FPGA之間的可靠通信。本文采用的方案是在FPGA上實現SRAM時序，將FPGA作為一塊特殊的內存設備掛接到ARM的內存地址空間。這樣在ARM端只需要編寫SRAM的驅動程序就可以實現對FPGA端的數據寫入和讀取。

3.1 SRAM時序

SRAM時序分為讀時序和寫時序兩種。當CPU對SRAM進行讀操作時，首先會在地址線上寫入正確的地址信號，接著是對SRAM芯片的片選信號，然后是對芯片的讀信號，之后經過一定的振蕩期后CPU在數據線上讀到穩(wěn)定的有效數據。

當CPU對SRAM進行寫操作時，首先會在地址線上寫入正確的地址線號，接著是對SRAM芯片的片選信號，然后是對芯片的寫信號，在寫信號上升沿之前CPU會在數據線上準備好有效數據，以供SRAM芯片在寫信號上升沿將數據寫入相應的地址單元。[!--empirenews.page--]

3.2 FPGA端SRAM實現

ARM和FPGA的通信需要的接口信號有地址線A0-A15、數據線D0-D15、片選信號nCS，讀信號nRD和寫信號new，每次需要實現16位數據的讀寫。用Verilog硬件語言描述SRAM時序如下：

可知只有在片選信號、讀信號都拉低而寫信號仍為高的情況下，才在data線上輸出地址線上對應單元的數值，其他情況下FPGA都將data線置為高阻態(tài)，放棄對data線的控制。

4 基于FPGA的DDA精插補器設計

隨著FPGA器件及其開發(fā)技術的日臻成熟，采用FPGA實現運動控制的方案顯示出巨大的潛力。由于FPGA的設計是并行的、多線程，而且具有在線可編程能力，兼?zhèn)淞怂俣瓤旌统杀镜偷膬?yōu)點，同時克服了專用處理器靈活性方面的不足?；贔PGA的DDA精插補器相對傳統(tǒng)的軟件插補具有強大的優(yōu)勢。

4.1 數字積分插補算法

目前比較成熟的數控插補算法有逐點比較法、最小偏差法和數字積分法等，數字積分法又稱數字微分分析器(Digital Differential Analyzer，DDA)。采用該方法進行插補，具有運算速度快、邏輯功能強、脈沖分配均勻等特點，可實現一次、二次甚至高次曲線插補，易于實現多軸聯(lián)動。

數字積分插補算法是將函數的積分運算轉換成變量的求和運算。如果所選擇的脈沖當量足夠小，則用求和運算代替積分所引起的誤差可以不超過允許的數值。采用兩個寄存器(函數寄存器和累加寄存器)和一個全加器構成數字積分器，將單位周期選得足夠小，每單位周期都向累加器累加函數寄存器中的數值，如果累加器溢出，就向外發(fā)送脈沖，實時地改變函數寄存器的值，就可以完成步進電機的調速。DDA插補控制器設計的硬件描述語言程序的流程圖如圖3所示。

4.2 數字積分插補的FPGA實現

采用有限狀態(tài)機的設計方法，每個軸的數字積分插補均由一個三狀態(tài)機的積分累加器完成。本系統(tǒng)的FPGA開發(fā)環(huán)境為Xilinx公司的Xil inx ISE，并結合ModelSim仿真軟件對整個系統(tǒng)進行了全面的功能驗證。如圖4所示為DDA插補模塊的頂層RTL級原理圖，由圖5可知DDA插補模塊的輸入信號為各軸的起始坐標以及時鐘信號和啟動信號，輸出信號為各軸的脈沖信號和方向信號。

運用ModelSim仿真軟件對DDA插補模塊進行仿真驗證。測試數據的起點坐標為(0，0，0)終點坐標為(8，15，11)，仿真結果如圖5所示，顯示系統(tǒng)很好的完成了三軸的脈沖分配。[!--empirenews.page--]

4.3 加減速控制模塊

加減速控制是數控系統(tǒng)的關鍵技術之一，也是實現數控系統(tǒng)高實時性的瓶頸。數控系統(tǒng)中，為了保證機床在啟動或停止時不產生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對進給電機的脈沖頻率或電壓進行加減速控制。即當機床加速啟動時，保證加在電機上的脈沖頻率逐漸增加;而當機床減速停止時，保證加在電機上的脈沖頻率逐漸減小。目前，電機加減速的常用控制方法是梯形加減速控制和S形加減速控制。本次設計采用兩種控制方案以適應不同工作場合的要求。

4.3.1 梯形加減速

梯形加減速是指在加減速過程中加速度為常數，速度曲線為梯形的加減速過程。梯形加減速控制算法簡單、易于實現，但在加減速過程中加速度曲線不連續(xù)會導致驅動機構的振動和沖擊。正常情況下梯形加減速運動過程如圖6所示分為加速段、勻速段和減速段三個階段。

圖7所示為ModelSim對梯形加減速模塊的仿真結果，可以看到插補器輸出的脈沖速度曲線呈現梯形，輸出脈沖的頻率的大小隨速度的變化而變化，實現了電機的梯形調速。

4.3.2 S形加減速

S形加減速是指在加減速時，加速度導數為常數，速度曲線為S形曲線的加減速過程。通過控制加速度導數來避免加速度突變，減小加工過程中由于加速度突變引起的機械系統(tǒng)振動。S形曲線速度控制可以得到平滑的速度曲線，但算法復雜，運算時間長。

S形加減速中加速度相對加速度導數的變化規(guī)律相當于直線加減速中速度相對加速度的變化規(guī)律。如圖8所示為S形曲線加減速的曲線圖，圖中從上到下依次為速度曲線、加速度曲線以及減速度曲線。從圖中可以看出，正常情況下S形加減速分為：加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段和減減速段七個階段。加速度連續(xù)，調速光滑，不會導致驅動機構的振動和沖擊。

圖9所示為ModelSim對S形加減速模塊的仿真結果，可以看到插補器輸出的脈沖速度曲線呈現梯形，輸出脈沖的頻率的大小隨速度的變化而變化，實現了電機的S形調速。

5 結束語

本文給出了一種基于ARM和FPGA的開放性的嵌入式數控系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的計算機數控系統(tǒng)架構，采用ARM處理器S3C2440A和FPGA器件XC3S25 0E和μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)組成的數控系統(tǒng)軟硬件平臺，充分利用了ARM微處理器的高速運算能力與FPGA的快速配置能力，大大減少了系統(tǒng)的外圍接口器件，并具有良好的穩(wěn)定性、模塊化、可擴展性、可移植性等特點，有利于實現數控系統(tǒng)的開放化和網絡化，有效地降低了系統(tǒng)成本，適合我國數控系統(tǒng)發(fā)展的需要，具有廣闊的應用前景。