基于ARM+FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文以微控制器AT91RM9200 和EP1C6Q240C8 為核心，對(duì)工業(yè)CT 機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)控制器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，應(yīng)用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法進(jìn)行仿真，并給出系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。

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工業(yè)CT 機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)往往需要對(duì)多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)控制，在以往的系統(tǒng)中多采用工控機(jī)+多塊板卡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)。隨著工業(yè)CT 機(jī)整體功能日趨復(fù)雜，整體系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體積、成本、功耗等方面的要求越來越苛刻。另一方面，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制的軸數(shù)越來越多、控制精度要求越來越高、控制對(duì)象的實(shí)時(shí)性要求越來越強(qiáng)。

現(xiàn)有的工控機(jī)+多塊板卡組成的控制系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)控制方面的劣勢(shì)。ARM+FPGA 的硬件方案，將工控機(jī)從現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中解放出來，取而代之的是體積小、功耗低、功能強(qiáng)的ARM 處理器。強(qiáng)大的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)保證ARM 處理器的功能可以發(fā)揮到最佳。

2 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與目前應(yīng)用中常見的IPC（IndustrialPersonal Computer）+板卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[1,2]：

（1） 采用FPGA 完成運(yùn)動(dòng)控制細(xì)節(jié)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)硬件軟化的設(shè)計(jì)思想。即具有軟件可編程、可重構(gòu)的特性，又有硬件高性能、高可靠、高一致性的優(yōu)點(diǎn)。

（2） 采用嵌入式應(yīng)用方案與現(xiàn)有IPC+板卡結(jié)構(gòu)相比無論從體積、成本、還是性能方面相比都具有較大的優(yōu)越性。

（3） FPGA 具有高速并行的執(zhí)行能力，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能得到較大的提高。

（4） 將ARM 中操作底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行打包，方便應(yīng)用程序調(diào)用，可以較快完成用戶的二次開發(fā)。

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

工業(yè)CT 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)以Atmel 公司一款A(yù)RM9 核處理器AT91RM9200和Altera 公司的Cyclone 系列芯片EP1C6Q240C8 為核心。ARM9 作為主控芯片負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，通過AHB[3]總線協(xié)調(diào)與FPGA 之間的數(shù)據(jù)交換，并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的處理與重建。FPGA 則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)，并把其轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)存入FPGA 的RAM 中，同時(shí)對(duì)ARM 發(fā)出中斷請(qǐng)求響應(yīng)，通知ARM9 讀取。AT91RM9200、SDRAM、FLASH 以及電源等基本外圍電路構(gòu)成嵌入式Linux 運(yùn)行的最小系統(tǒng)，而FPGA 最小系統(tǒng)則由EPlC6Q240C8、時(shí)鐘電路、配置接口等組成。然后兩者通過高速AHB 總線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

圖1 工業(yè)CT 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ARM 與FPGA 接口設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中ARM 作為通用處理器，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的觸發(fā)、系統(tǒng)命令的發(fā)送和任務(wù)的調(diào)度等功能。

FPGA 作為ARM 的外設(shè)，用來對(duì)ARM 經(jīng)地址數(shù)據(jù)總線傳送過來的命令進(jìn)行解析，并最終按照ARM 命令的要求，完成脈沖發(fā)送和脈沖計(jì)數(shù)的功能及具體的運(yùn)動(dòng)控制細(xì)節(jié)任務(wù)。

兩塊FPGA通過各自的地址/數(shù)據(jù)總線與ARM的地址/數(shù)據(jù)總線連接起來，雙方可以進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。

ARM 與FPGA 通過地址選通信號(hào)線連接起來，兩塊FPGA 各自作為ARM 的外設(shè)芯片，運(yùn)行在獨(dú)立的地址空間，地址選通信號(hào)結(jié)合地址總線實(shí)現(xiàn)ARM對(duì) FPGA 內(nèi)部寄存器的尋址。

3 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件總體采用分層思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)軟件主要由宿主機(jī)操作系統(tǒng)、宿主機(jī)開發(fā)軟件、目標(biāo)板操作系統(tǒng)、目標(biāo)板底層硬件驅(qū)動(dòng)程序、目標(biāo)板應(yīng)用程序、HDL 硬件描述語言組成。宿主機(jī)操作系統(tǒng)選擇REDHAT-LINUX9.0 版本；宿主機(jī)開發(fā)軟件主要由一些交叉編譯環(huán)境、匯編和鏈接工具組成；目標(biāo)板操作系統(tǒng)選用ARM-LINUX 操作系統(tǒng)；目標(biāo)板應(yīng)用程序使用C 代碼進(jìn)行編寫；HDL 語言用于對(duì)FPGA 的功能進(jìn)行描述。

軟件系統(tǒng)分層示意圖如圖2 所示。在宿主機(jī)中，交叉編譯將要在目標(biāo)板平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用程序代碼和底層硬件驅(qū)動(dòng)程序代碼展開，然后通過宿主機(jī)與目標(biāo)板之間的硬件接口傳遞到目標(biāo)板中，目標(biāo)板通過底層硬件驅(qū)動(dòng)程序控制FPGA 模塊中配置的各功能寄存器，從而完成具體的控制任務(wù)。本文重點(diǎn)介紹FPGA內(nèi)部功能模塊的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)程序接口設(shè)計(jì)。

圖2 軟件系統(tǒng)分層示意圖