基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：提出了一種基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了ARM系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，基于FPGA的硬件精插補實現(xiàn)方法以及數(shù)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(nèi)部邏輯的在線可重構(gòu)性等特點相結(jié)合，提高了資源利用率和實時性，增強了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性。仿真和實踐結(jié)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。

　　0 引言

　　現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)中多采用工控機加運動控制卡的計算機數(shù)控系統(tǒng)方案進(jìn)行運動控制器的設(shè)計。隨著工控機整體功能日趨復(fù)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(xiàn)有計算機數(shù)控系統(tǒng)在運動控制方面逐漸呈現(xiàn)出資源浪費嚴(yán)重、實時性差的劣勢。此外，數(shù)控系統(tǒng)的開放性、模塊化和可重構(gòu)設(shè)計是目前數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點，目的是為了適應(yīng)技術(shù)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(shè)計思想，設(shè)計了一種具有高開放性特征的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)不僅具備了以往大型數(shù)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(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有可移植性和互換性。

　　1 基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)整體方案

　　基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)核，核心頻率高達(dá)400MHz。FPGA采用 Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

　　
圖1 基于ARM+FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2 S3C2440A控制系統(tǒng)

　　ARM作為數(shù)控系統(tǒng)的控制核心主要負(fù)責(zé)對從數(shù)據(jù)存儲器中讀取或直接從上位PC或網(wǎng)絡(luò)獲得的零件加工代碼和控制信息進(jìn)行譯碼、運算、邏輯處理，完成加工數(shù)據(jù)的粗插補以及人機界面和數(shù)據(jù)通信。ARM系統(tǒng)是整個數(shù)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(xiàn)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(shù)控系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)通過LCD、指示燈等顯示，實現(xiàn)人機友好交互。基于 S3C2440A控制器有各種通信接口，包括RS232、RS485、以太網(wǎng)口、USB等接口模塊。通過這些接口實現(xiàn)文件傳輸和網(wǎng)絡(luò)控制。

　　嵌入式數(shù)控的軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：操作系統(tǒng)軟件和數(shù)控應(yīng)用軟件。由于數(shù)控系統(tǒng)是個實時多任務(wù)系統(tǒng)，實時性要求很高，為保證各個任務(wù)的協(xié)調(diào)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。

　　
圖2 嵌入式數(shù)控的軟件系統(tǒng)總體構(gòu)圖

　　要實現(xiàn)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(guān)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(guān)的變數(shù)、宏和類型。0S_CPU_A．ASM中定義了幾個匯編語言函數(shù)，包括中斷服務(wù)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?yún)R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(shè)計

　　為使系統(tǒng)能夠按照預(yù)期設(shè)計良好工作，首先要從硬件上實現(xiàn)ARM和FPGA之間的可靠通信。本文采用的方案是在FPGA上實現(xiàn)SRAM時序，將FPGA作為一塊特殊的內(nèi)存設(shè)備掛接到ARM的內(nèi)存地址空間。這樣在ARM端只需要編寫SRAM的驅(qū)動程序就可以實現(xiàn)對FPGA端的數(shù)據(jù)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(dāng)CPU對SRAM進(jìn)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(jīng)過一定的振蕩期后CPU在數(shù)據(jù)線上讀到穩(wěn)定的有效數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)CPU對SRAM進(jìn)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(shù)據(jù)線上準(zhǔn)備好有效數(shù)據(jù)，以供SRAM芯片在寫信號上升沿將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的地址單元。

　　3.2 FPGA端SRAM實現(xiàn)

　　ARM和FPGA的通信需要的接口信號有地址線A0-A15、數(shù)據(jù)線D0-D15、片選信號nCS，讀信號nRD和寫信號new，每次需要實現(xiàn)16位數(shù)據(jù)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(yīng)單元的數(shù)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(shè)計

　　隨著FPGA器件及其開發(fā)技術(shù)的日臻成熟，采用FPGA實現(xiàn)運動控制的方案顯示出巨大的潛力。由于FPGA的設(shè)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(shù)字積分插補算法

　　目前比較成熟的數(shù)控插補算法有逐點比較法、最小偏差法和數(shù)字積分法等，數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析器（Digital Differential Analyzer，DDA）。采用該方法進(jìn)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(xiàn)一次、二次甚至高次曲線插補，易于實現(xiàn)多軸聯(lián)動。

　　數(shù)字積分插補算法是將函數(shù)的積分運算轉(zhuǎn)換成變量的求和運算。如果所選擇的脈沖當(dāng)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(shù)值。采用兩個寄存器（函數(shù)寄存器和累加寄存器）和一個全加器構(gòu)成數(shù)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(shù)寄存器中的數(shù)值，如果累加器溢出，就向外發(fā)送脈沖，實時地改變函數(shù)寄存器的值，就可以完成步進(jìn)電機的調(diào)速。DDA插補控制器設(shè)計的硬件描述語言程序的流程圖如圖3所示。

圖3 DDA插補控制器設(shè)計的硬件描述語言程序的流程圖

　　4.2 數(shù)字積分插補的FPGA實現(xiàn)

　　采用有限狀態(tài)機的設(shè)計方法，每個軸的數(shù)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(jié)合ModelSim仿真軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)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。

　　圖5 DDA插補模塊仿真波形

　　運用ModelSim仿真軟件對DDA插補模塊進(jìn)行仿真驗證。測試數(shù)據(jù)的起點坐標(biāo)為（0，0，0）終點坐標(biāo)為（8，15，11），仿真結(jié)果如圖5所示，顯示系統(tǒng)很好的完成了三軸的脈沖分配。

　　4.3 加減速控制模塊

　　加減速控制是數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)高實時性的瓶頸。數(shù)控系統(tǒng)中，為了保證機床在啟動或停止時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對進(jìn)給電機的脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制。即當(dāng)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(dāng)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(shè)計采用兩種控制方案以適應(yīng)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(shù)，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(xiàn)，但在加減速過程中加速度曲線不連續(xù)會導(dǎo)致驅(qū)動機構(gòu)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6 正常情況下梯形加減速運動過程

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

　　
圖7 ModelSim對梯形加減速模塊的仿真結(jié)果

　　4.3.2 S形加減速

　　S形加減速是指在加減速時，加速度導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，速度曲線為S形曲線的加減速過程。通過控制加速度導(dǎo)數(shù)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(fù)雜，運算時間長。

　　
圖8 S形加減速曲線圖

　　S形加減速中加速度相對加速度導(dǎo)數(shù)的變化規(guī)律相當(dāng)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(diào)速光滑，不會導(dǎo)致驅(qū)動機構(gòu)的振動和沖擊。

　　
圖9 ModelSim對S形加減速模塊的仿真結(jié)果

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

　　5 結(jié)束語

　　本文給出了一種基于ARM和FPGA的開放性的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的計算機數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)，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(shù)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(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開放化和網(wǎng)絡(luò)化，有效地降低了系統(tǒng)成本，適合我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。