基于Cortex-M4与FPGA的运动控制卡开发

发布时间：2017-08-23 03:22

  本文关键词：基于Cortex-M4与FPGA的运动控制卡开发

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【摘要】：运动控制卡是实现精密运动控制的关键设备。随着微电子技术的进步,运动控制系统正朝着信息化、开放化、开源化、集成化的方向发展。基于各种新型架构的运动控制卡层出不穷,被广泛应用于各个运动控制领域。本文针对四轴运动控制卡进行了研究,设计了一种基于数字信号控制器(DSC)和FPGA架构的四轴数字量、模拟量运动控制卡。 根据模块化设计的思想,确定了运动控制卡功能目标,规划并制定了总体设计方案,将运动控制相应功能合理分配到软硬件的各个模块中,对各个模块主要芯片进行了选型,对运动控制过程中涉及的软硬件问题进行了深入分析并提出了解决办法。 设计了运动控制卡硬件电路,选取STM32F407ZGT6和EP4CE10F17C8为双主处理器。基于ARM芯片,根据控制卡通信需求,设计了上下位机接口、ARM与FPGA通信接口；根据系统软件需要,设计了存储模块、配置模块等部分。基于FPGA芯片,根据运动控制需要,设计了数字脉冲输出模块、模拟量模块、标志位模块、编码器接收模块及通用I/O口模块等硬件电路。 基于开发的硬件平台,设计了控制系统的软件结构,嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系统到ARM芯片内,并设计了相应的命令控制程序；采用Verilog HDL语言,在FPGA内设计了插补驱动模块、数据加载模块、DDA插补模块,实现了FPGA运动控制模块设计,并对各个模块进行了验证。 完成了控制卡软硬件调试,根据运动控制卡具体特点搭建了测试平台,结合上位机控制界面、驱动器、步进电机、伺服电机展开功能测试。实验结果表明：控制卡实现了步进电机和伺服电机的多轴精确位置控制,性能稳定,可以满足多数工业场合应用。
【关键词】：Cortex-M4 四轴 运动控制 FPGA 插补算法
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273;TG659
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 课题研究背景8
• 1.2 运动控制卡概述8-10
• 1.2.1 运动控制卡概念9
• 1.2.2 运动控制卡国内外发展现状9-10
• 1.2.3 课题来源10
• 1.3 论文主要的研究内容10-11
• 1.4 本章小结11-12
• 2 运动控制卡总体设计方案12-18
• 2.1 运动控制卡总体方案12
• 2.2 运动控制卡架构设计12-17
• 2.2.1 运动控制卡方案选型12-13
• 2.2.2 运动控制卡架构设计13-15
• 2.2.3 主要芯片选型15-17
• 2.3 本章小结17-18
• 3 运动控制卡硬件平台开发18-37
• 3.1 ARM模块电路设计18-25
• 3.1.1 接口模块18-22
• 3.1.2 存储模块电路设计22-23
• 3.1.3 ARM芯片配置模块23-25
• 3.1.4 ARM与FPGA通信接口25
• 3.2 电源模块电路设计25-28
• 3.3 FPGA模块电路设计28-34
• 3.3.1 调试与配置电路29-30
• 3.3.2 脉冲输出模块30-31
• 3.3.3 模拟量输出模块31
• 3.3.4 标志位模块31-33
• 3.3.5 编码器输入模块33-34
• 3.3.6 通用I/O口模块34
• 3.4 六层PCB板设计34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 FPGA电路模块设计37-43
• 4.1 FPGA运动控制模块设计37-38
• 4.2 插补驱动模块电路38
• 4.3 插补数据加载模块电路38-39
• 4.4 DDA插补模块电路39-42
• 4.5 本章小结42-43
• 5 运动控制卡软件系统开发43-48
• 5.1 控制系统软件解决方案43-44
• 5.2 ARM软件设计44-48
• 5.2.1 μC/OS-Ⅱ系统移植44-46
• 5.2.2 ARM运动指令控制模块46-48
• 6 运动控制卡的调试实验48-53
• 6.1 测试平台介绍48-50
• 6.1.1 上位机软件介绍48-49
• 6.1.2 电机及驱动器介绍49-50
• 6.2 运动控制卡调试试验50-51
• 6.3 本章小结51-53
• 结论与展望53-55
• 结论53-54
• 展望54-55
• 参考文献55-58
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文58-59
• 致谢59

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：722702