基于單片機系統(tǒng)＋fpga的多軸運動控制卡設計

1、開放式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，以NC嵌入PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)以其經(jīng)濟性和實用性已被廣泛應用[1]。在通用的PC機的擴展插槽中加入運動控制卡，由PC機發(fā)出控制指令，運動控制卡根據(jù)接收指令完成各種控制功能。運動控制和邏輯控制由運動控制卡完成，因此運動控制卡的設計已經(jīng)成為NC系統(tǒng)性能實現(xiàn)的關鍵技術[2]。目前運動控制卡多采用專用運動控制芯片構成，例如固高運動控制卡，但是專用控制芯片擴展能力差，系統(tǒng)升級困難，難以應用于開放式數(shù)控系統(tǒng)

2、；也有采用DSPCPLDFPGA為核心構成，雖然集合了DSP的強大數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的靈活性與可靠性等優(yōu)點，但DSP硬件成本較高，內(nèi)部運動控制算法修改復雜。文中選用單片機FPGA為核心的控制方案，以此方案設計了一種可以實現(xiàn)在線接觸加工過程中六軸插補的運動控制卡。刀具側(cè)刃在完成曲面加工時，刀具端面還可以完成曲線插補，提高了曲面加工效率[3]。1系統(tǒng)結構設計核心部分采用由單片機FPGA組成，利用單片機的控制功能和FPGA的快速計算能力組

3、成運動控制系統(tǒng)的核心硬件結構，系統(tǒng)硬件總體結構如圖1所示。2多軸運動控制卡模塊設計運動控制卡包括與PC連接的ISA總線、總線驅(qū)動、數(shù)據(jù)鎖存及譯碼電路模塊，雙端口RAM模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊以及FPGA芯片的配置模塊。2.1ISA總線、總線驅(qū)動、數(shù)據(jù)鎖存及單片機模塊在線接觸加工運動控制系統(tǒng)中上位機和運動控制板卡通信時，上位機把數(shù)控代碼傳送給雙端口RAM，單片機再從雙端口RAM里讀取數(shù)控代碼并將其發(fā)送到FPGA內(nèi)部進行插補運算。圖1運動控制卡總

4、體結構圖Fig.1Schematicstructureofthemotioncontrolcard電子設計工程ElectronicDesignEngineering第23卷Vol.23第21期No.212015年11月Nov.2015收稿日期：20150106稿件編號：201501046基金項目：陜西省科技廳攻關項目（2002K06G16）；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目（2002JC25）作者簡介：王鵬（1983—），男，陜西西安人，碩士

5、研究生，講師。研究方向:數(shù)控系統(tǒng)與機床?；趩纹瑱CFPGA的多軸運動控制卡設計王鵬，賀健琪，宋敏（西安航空學院陜西西安710077）摘要：基于曲面線接觸加工中全軟件數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)多軸運動控制的目的，介紹了一種基于單片機FPGA的多軸運動控制卡的設計方法，該卡可以實現(xiàn)五軸控制。采用模塊化的設計思想設計出了運動控制卡的總線、總線驅(qū)動、數(shù)據(jù)鎖存及譯碼電路模塊，雙端口RAM模塊，單片機模塊，F(xiàn)PGA模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊以及FPGA芯片的配置模塊等，

6、實現(xiàn)了硬件電路的連接。通過在QuartusII的平臺下，采用DDA插補原理，通過VHDL編寫程序生成插補模塊，并將這些插補模塊連接成原理圖，從而構成了直線插補器，同時在QuartusII下仿真實現(xiàn)了對應功能的仿真，采用軟件插補代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件插補，使得系統(tǒng)更具開放性。關鍵詞：單片機；FPGA；運動控制卡；VHDL中圖分類號：TN0文獻標識碼：A文章編號：1674－6236（2015）21006104Thedesignofthemulti鄄

7、axismotioncontrolcardbasedonFPGAWANGPeng，HEJian鄄qi，SONGMin（Xi’anAerotechnicalUniversity，Xi’an710077，China）Abstract:Inthispaper，Themulti鄄axismotioncontrolisachievedbasedonCurvedsurfaceoflinecontactmachiningoffullsoftwareC

8、NCsystem.ThedesignmethodofmotioncontrolcardbasedonSGMFPGAfmultiaixsmotionisintroduced.Five鄄axismotioncontrolisachievedbythiscard.Dual鄄ptedRAM，Themonolithicintegratedcircuit，F(xiàn)PGApowersupplychangeoveraredesignedtoachieveha

9、rdwiredconnection.TheinterpolationmoduleisprogrammedbasedonQuartusIIenvironmentbyVHDLtakeadvantageofDDAInterpolationthey.Lineinterpolatisconstitutedsimulated.TheSystemismeopenbyallsoftwareinterpolationinsteadofthetraditi

10、onalhardwareinterpolation.Keywds:SCM；FPGA；motioncontrolcard；VHDL－61－在本設計中FPGA總體結構如圖4所示。2）FPGA外圍電路設計本設計中采用的EP2C8Q208C7是SRAM工藝的FPGA，在試驗階段需不斷對設計進行修改和調(diào)整，以逐步完善設計功能，在此階段采用JTAG方式直接將SOF文件下載到器件中，這種方式在每次上電時需要重新下載，因此在設計最終完成后，使用配置器件

11、EPCS4來保存配置信息，即采用主動串行方式。配置電路如圖5所示。3仿真3.1位置控制模塊每軸設計一個位置計數(shù)器，用來計正負方向輸出脈沖數(shù)，當運動控制卡向外輸出一個正向脈沖時，計數(shù)器值加1；圖3單片機模塊電路圖Fig.3ThecircuitdiagramofSCM圖5FPGA芯片配置電路圖Fig.5TheconfigurationofcircuitdiagramaboutFPGA圖4FPGA內(nèi)部結構設計框圖Fig.4Thedesigno