基于單片機(jī)系統(tǒng)＋fpga的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)

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(jì)性和實(shí)用性已被廣泛應(yīng)用[1]。在通用的PC機(jī)的擴(kuò)展插槽中加入運(yùn)動(dòng)控制卡，由PC機(jī)發(fā)出控制指令，運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)接收指令完成各種控制功能。運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制由運(yùn)動(dòng)控制卡完成，因此運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為NC系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。目前運(yùn)動(dòng)控制卡多采用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片構(gòu)成，例如固高運(yùn)動(dòng)控制卡，但是專用控制芯片擴(kuò)展能力差，系統(tǒng)升級(jí)困難，難以應(yīng)用于開放式數(shù)控系統(tǒng)

2、；也有采用DSPCPLDFPGA為核心構(gòu)成，雖然集合了DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的靈活性與可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但DSP硬件成本較高，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制算法修改復(fù)雜。文中選用單片機(jī)FPGA為核心的控制方案，以此方案設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)在線接觸加工過程中六軸插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)控制卡。刀具側(cè)刃在完成曲面加工時(shí)，刀具端面還可以完成曲線插補(bǔ)，提高了曲面加工效率[3]。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心部分采用由單片機(jī)FPGA組成，利用單片機(jī)的控制功能和FPGA的快速計(jì)算能力組

3、成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2多軸運(yùn)動(dòng)控制卡模塊設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制卡包括與PC連接的ISA總線、總線驅(qū)動(dòng)、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(dòng)、數(shù)據(jù)鎖存及單片機(jī)模塊在線接觸加工運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制板卡通信時(shí)，上位機(jī)把數(shù)控代碼傳送給雙端口RAM，單片機(jī)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(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。圖1運(yùn)動(dòng)控制卡總

4、體結(jié)構(gòu)圖Fig.1Schematicstructureofthemotioncontrolcard電子設(shè)計(jì)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(hào)：201501046基金項(xiàng)目：陜西省科技廳攻關(guān)項(xiàng)目（2002K06G16）；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)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(jī)床。基于單片機(jī)FPGA的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)王鵬，賀健琪，宋敏（西安航空學(xué)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(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制的目的，介紹了一種基于單片機(jī)FPGA的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)方法，該卡可以實(shí)現(xiàn)五軸控制。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出了運(yùn)動(dòng)控制卡的總線、總線驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)鎖存及譯碼電路模塊，雙端口RAM模塊，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)了硬件電路的連接。通過在QuartusII的平臺(tái)下，采用DDA插補(bǔ)原理，通過VHDL編寫程序生成插補(bǔ)模塊，并將這些插補(bǔ)模塊連接成原理圖，從而構(gòu)成了直線插補(bǔ)器，同時(shí)在QuartusII下仿真實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)功能的仿真，采用軟件插補(bǔ)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件插補(bǔ)，使得系統(tǒng)更具開放性。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；FPGA；運(yùn)動(dòng)控制卡；VHDL中圖分類號(hào)：TN0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(shè)計(jì)中FPGA總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。2）FPGA外圍電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用的EP2C8Q208C7是SRAM工藝的FPGA，在試驗(yàn)階段需不斷對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和調(diào)整，以逐步完善設(shè)計(jì)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(shí)需要重新下載，因此在設(shè)計(jì)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(dòng)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(shè)計(jì)一個(gè)位置計(jì)數(shù)器，用來計(jì)正負(fù)方向輸出脈沖數(shù)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制卡向外輸出一個(gè)正向脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器值加1；圖3單片機(jī)模塊電路圖Fig.3ThecircuitdiagramofSCM圖5FPGA芯片配置電路圖Fig.5TheconfigurationofcircuitdiagramaboutFPGA圖4FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Fig.4Thedesigno