基于FPGA的可重構(gòu)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線等各類工業(yè)裝備的控制過程。隨著現(xiàn)代制造業(yè)走向高速化、柔性化，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不但要求具備高性能的控制能力，而且需要具備一定的重配置能力，以適應(yīng)控制對(duì)象的變化。

　　本文針對(duì)上述需求，提出了一種基于FPGA技術(shù)的可重構(gòu)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)方案。該方案采用ARM Cortex-M3控制器和Xilinx Spartan-3A器件為核心，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)軸獨(dú)立運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)控制。作為與以往基于軟件實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不同，通過在系統(tǒng)引入FPGA，不但能夠輔助CPU實(shí)現(xiàn)各種控制功能，減少CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，而且能夠在用戶現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)硬件邏輯的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈活配置、升級(jí)。

　　運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)

　　圖1是本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制卡總體結(jié)構(gòu)示意。該運(yùn)動(dòng)控制卡以基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器為CPU，實(shí)現(xiàn)用戶命令的解釋、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃及PLC程序執(zhí)行等功能。由于運(yùn)動(dòng)控制涉及大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，因此擴(kuò)展了512K x 16位(1M字節(jié))的高速SRAM作為擴(kuò)展內(nèi)存。運(yùn)動(dòng)控制卡與上位機(jī)的通訊通過雙端口RAM實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)和板上CPU可通過兩個(gè)獨(dú)立的操作接口對(duì)雙端口RAM進(jìn)行異步讀寫操作，具有極高的通訊效率。同時(shí)，雙端口RAM提供了忙信號(hào)、信號(hào)量、郵箱等通訊機(jī)制，保證訪問的可靠性。

　　在運(yùn)動(dòng)控制卡中，FPGA集成了電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的精插補(bǔ)、參考點(diǎn)位置捕捉、編碼器信號(hào)解碼、I/O擴(kuò)展、總線接口等自主設(shè)計(jì)的IP核，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制所需的各項(xiàng)功能。CPU通過其16位并行總線與FPGA進(jìn)行通訊，可以隨機(jī)訪問FPGA中各IP核的配置及狀態(tài)寄存器。FPGA可通過配置芯片在上電時(shí)自動(dòng)配置，也可以通過CPU進(jìn)行配置。