本文關(guān)鍵詞：基于OMAPL138和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)研究與開發(fā)

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【摘要】：數(shù)控機床是國家的關(guān)鍵重大戰(zhàn)略裝備,是國之重器。而數(shù)控系統(tǒng)又是數(shù)控機床的核心技術(shù)之一,它決定著數(shù)控機床的功能和性能。然而長期以來,數(shù)控系統(tǒng)的高端產(chǎn)品幾乎皆被諸如法納克、西門子等國際巨頭所壟斷,勒索和訛詐。近年來,國內(nèi)數(shù)控產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長時間的自主研發(fā)與積累取得了長足進步,開發(fā)出少量在局部性能上不斷逼近國外高端數(shù)控機床,并且以價格優(yōu)勢占據(jù)著國內(nèi)中低端數(shù)控市場；然而,這些國內(nèi)基于PC開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)存在功耗大、實時性較差以及硬件成本高等缺點。針對上述現(xiàn)狀和問題,本文提出了一個基于異構(gòu)雙核處理OMAPL138+FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng),以期為將來的高端五軸數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定堅實的基礎。為滿足高速高精數(shù)控系統(tǒng)的硬件資源需求,在分析對比基于PC的數(shù)控系統(tǒng)與嵌入式數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)劣后,最終選定／ARM+DSP+FPGA的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu),并確定異構(gòu)雙核處理器OMAPL138和FPGA作為數(shù)控系統(tǒng)的處理核心。本文圍繞該兩款性能優(yōu)異的雙核芯片的特點,最后設計了整個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件的總體架構(gòu)圖。第二部分圍繞OMAPL138芯片設計了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的OMAPL138模塊硬件電路。設計的電路包括電源管理、DDR2、FLASH等外圍電路,為OMAPL138提供了高效穩(wěn)定的工作環(huán)境。在OMAPL138強大的運算能力支持,所設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了次/20us插補周期,最多支持控制八軸進給運動。第三部分圍繞FPGA芯片設計了系統(tǒng)擴展IO資源及控制脈沖電路。高端數(shù)控機床所需控制的IO非常多,單靠OMAPL138并不能提供足夠的I0資源。高速高精數(shù)控系統(tǒng)的運算量很龐大,且控制脈沖頻率很高,OMAPL138在進行大量插補運算的同時產(chǎn)生高頻脈沖,勢必會影響數(shù)控系統(tǒng)的實時性。因此,所設計的光耦、信號差分或三極管擴流等電路,既保證了數(shù)控系統(tǒng)實時性,又提高了信號的抗干擾和負載能力。第四部分設計了OMAPL138芯片與FPGA芯片兩芯片間EMIFA總線通訊。為了實現(xiàn)芯片間數(shù)據(jù)的高速互聯(lián),確保系統(tǒng)的實時性,詳細進行FPGA端EMIFA總線模塊的程序設計。本文最后對所設計開發(fā)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進行功能驗證,結(jié)果表明本設計達到初始的高速高精度目標,超出目前國內(nèi)同行的1m/s進給速度以及次/100us插補周期等關(guān)鍵核心技術(shù)指標。該系統(tǒng)已應用于四軸皮革切割機上無故障運行了六個月,表明了所設計系統(tǒng)的可靠性。
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG659

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本文編號：1154242