基于DSP和FPGA的数控系统研究与开发

发布时间：2017-04-20 07:08

  本文关键词：基于DSP和FPGA的数控系统研究与开发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 随着数控系统的通用化和小型化,以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为核心的数控系统正成为当前数控系统的重要发展方向。一方面,以DSP作为数控系统的核心处理器,能够发挥其高速运算和编程灵活的特长,便于实现复杂的实时运动控制算法,提高系统的控制性能;另一方面,采用FPGA将大量的逻辑控制功能和外围接口电路集成在其中,可有效减小系统体积,提高数控系统的可靠性和稳定性。 本文在对不同硬件平台数控系统进行比较研究的基础上,设计开发了一款以DSP和FPGA为主控单元的四轴闭环数控系统平台。 首先,在需求分析的基础上规划设计了数控系统硬件方案,对DSP和FPGA外围电路、数字脉冲输出电路、模拟量输出电路、编码器信号采集电路、通用I/O接口电路等实现方法进行了详细讨论,完成了系统硬件的设计制作。 为提高数控系统的硬件集成度和可靠性,通过对FPGA的编程设计,在FPGA中实现了具有S形加减速的高速平稳运动控制、硬件精插补器、主轴转速控制DAC接口、编码器信号处理电路、手脉信号处理电路、数字I/O信号处理电路和双端口RAM等功能模块,并通过了调试、测试。 最后,基于上述硬件平台,采用模块化程序设计方法和C语言编程完成了数控系统的部分软件设计,包括DSP端的运动控制模块测试程序和人机界面单片机控制软件,并完成系统主要功能的硬软件联调。
【关键词】：数控系统 FPGA DSP 加减速控制 人机界面
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 数控系统的发展状况11-13
• 1.2 数控系统的发展趋势13-14
• 1.3 数控系统硬件平台实现方案14-15
• 1.4 本文研究目的及内容15-17
• 第二章 数控系统总体方案设计17-23
• 2.1 数控系统功能要求与技术指标17-18
• 2.2 数控系统硬件平台总体方案18-22
• 2.2.1 中心控制单元设计方案18-19
• 2.2.2 电机驱动模块设计方案19-20
• 2.2.3 编码器接口模块设计方案20
• 2.2.4 手摇脉冲发生器接口模块设计方案20
• 2.2.5 开关量输入/输出接口模块设计方案20-21
• 2.2.6 人机界面模块设计方案21-22
• 2.3 数控系统软件规划22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 数控系统硬件平台设计23-35
• 3.1 DSP 硬件电路设计23-26
• 3.1.1 DSP 电源电路设计24
• 3.1.2 DSP 电源监控和复位电路设计24-25
• 3.1.3 DSP 外部扩展SRAM 电路设计25-26
• 3.2 FPGA 硬件电路设计26-28
• 3.2.1 FPGA 电源模块设计26-27
• 3.2.2 FPGA 配置模块设计27-28
• 3.3 通信模块电路设计28-29
• 3.4 数字脉冲输出电路设计29
• 3.5 模拟量输出电路设计29-32
• 3.6 编码器接口电路设计32-33
• 3.7 手摇脉冲发生器模块电路设计33
• 3.8 开关量输入/输出接口模块电路设计33-34
• 3.9 一些硬件抗干扰措施34
• 3.10 本章小结34-35
• 第四章 数控系统运动控制算法研究35-43
• 4.1 运动控制中的加减速技术35-36
• 4.2 加减速控制算法36-40
• 4.2.1 梯形加减速36-38
• 4.2.2 S 曲线加减速38-40
• 4.3 应用于硬件插补控制的数字积分法40-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第五章 FPGA 内部各功能模块的实现43-59
• 5.1 FPGA 简介43-46
• 5.1.1 FPGA 开发环境与设计流程简介43-45
• 5.1.2 FPGA 设计基本原则45-46
• 5.2 精插补电路设计46-48
• 5.2.1 时序发生电路46-47
• 5.2.2 精插补译码电路47
• 5.2.3 DDA 积分器电路47-48
• 5.3 空行程的S 形加减速控制电路设计48-52
• 5.3.1 主控模块48-51
• 5.3.2 DDA 积分器模块51-52
• 5.3.3 脉冲计数器与锁存器模块52
• 5.4 编码器接口模块电路设计52-54
• 5.4.1 四倍频细分及辨向电路设计53-54
• 5.4.2 可逆计数器设计54
• 5.5 手脉接口模块电路设计54-55
• 5.6 DAC 接口电路设计55-56
• 5.7 输入/输出开关量信号处理电路设计56-57
• 5.8 双端口RAM 模块设计57-58
• 5.9 本章小结58-59
• 第六章 数控系统底层软件设计59-67
• 6.1 DSP 端软件设计59-61
• 6.1.1 主程序模块59-60
• 6.1.2 基于双端口RAM 实现DSP 与单片机二者间通信模块60-61
• 6.1.3 运动控制系统各功能模块测试程序61
• 6.2 单片机端软件设计61-66
• 6.2.1 文件管理界面设计61-62
• 6.2.2 空运行界面设计62
• 6.2.3 自动运行界面设计62-63
• 6.2.4 手动运行界面设计63-64
• 6.2.5 回零界面设计64
• 6.2.6 MDI 界面设计64
• 6.2.7 对刀界面设计64-65
• 6.2.8 参数设置界面设计65-66
• 6.3 软件抗干扰措施66
• 6.4 本章小结66-67
• 第七章 总结与展望67-69
• 7.1 全文总结67-68
• 7.2 研究展望68-69
• 参考文献69-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士期间发表的学术论文73-74
• 附录A 数控系统硬件主板PCB 图与人机界面图74

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