基于OMAPL138和FPGA的嵌入式数控系统硬件架构研究与开发

发布时间：2017-11-07 21:34

  本文关键词：基于OMAPL138和FPGA的嵌入式数控系统硬件架构研究与开发

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【摘要】：数控机床是国家的关键重大战略装备,是国之重器。而数控系统又是数控机床的核心技术之一,它决定着数控机床的功能和性能。然而长期以来,数控系统的高端产品几乎皆被诸如法纳克、西门子等国际巨头所垄断,勒索和讹诈。近年来,国内数控产业经过长时间的自主研发与积累取得了长足进步,开发出少量在局部性能上不断逼近国外高端数控机床,并且以价格优势占据着国内中低端数控市场；然而,这些国内基于PC开发的数控系统存在功耗大、实时性较差以及硬件成本高等缺点。针对上述现状和问题,本文提出了一个基于异构双核处理OMAPL138+FPGA的嵌入式数控系统,以期为将来的高端五轴数控系统的开发奠定坚实的基础。为满足高速高精数控系统的硬件资源需求,在分析对比基于PC的数控系统与嵌入式数控系统优劣后,最终选定／ARM+DSP+FPGA的嵌入式系统架构,并确定异构双核处理器OMAPL138和FPGA作为数控系统的处理核心。本文围绕该两款性能优异的双核芯片的特点,最后设计了整个嵌入式数控系统硬件的总体架构图。第二部分围绕OMAPL138芯片设计了嵌入式数控系统的OMAPL138模块硬件电路。设计的电路包括电源管理、DDR2、FLASH等外围电路,为OMAPL138提供了高效稳定的工作环境。在OMAPL138强大的运算能力支持,所设计的系统实现了次/20us插补周期,最多支持控制八轴进给运动。第三部分围绕FPGA芯片设计了系统扩展IO资源及控制脉冲电路。高端数控机床所需控制的IO非常多,单靠OMAPL138并不能提供足够的I0资源。高速高精数控系统的运算量很庞大,且控制脉冲频率很高,OMAPL138在进行大量插补运算的同时产生高频脉冲,势必会影响数控系统的实时性。因此,所设计的光耦、信号差分或三极管扩流等电路,既保证了数控系统实时性,又提高了信号的抗干扰和负载能力。第四部分设计了OMAPL138芯片与FPGA芯片两芯片间EMIFA总线通讯。为了实现芯片间数据的高速互联,确保系统的实时性,详细进行FPGA端EMIFA总线模块的程序设计。本文最后对所设计开发的嵌入式数控系统进行功能验证,结果表明本设计达到初始的高速高精度目标,超出目前国内同行的1m/s进给速度以及次/100us插补周期等关键核心技术指标。该系统已应用于四轴皮革切割机上无故障运行了六个月,表明了所设计系统的可靠性。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659

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