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          基于ARMS和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

          作者: 時間:2013-05-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:提出了一種基于的嵌入式設(shè)計方案。詳細介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,基于的硬件精實現(xiàn)方法以及的加減速控制策略。該系統(tǒng)將運行速度快、計算精度高的優(yōu)點和內(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。
          關(guān)鍵詞:ARM;FPGA;數(shù)控系統(tǒng);

          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、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400MHz。FPGA采用Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/148022.htm

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          2 S3C2440A控制系統(tǒng)
          ARM作為數(shù)控系統(tǒng)的控制核心主要負責對從數(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?;赟3C2440A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。

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          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CPU對SRAM進行讀操作時,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CPU對SRAM進行寫操作時,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。

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