本文關鍵詞：基于Cortex-M4與FPGA的運動控制卡開發(fā)

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【摘要】：運動控制卡是實現(xiàn)精密運動控制的關鍵設備。隨著微電子技術的進步,運動控制系統(tǒng)正朝著信息化、開放化、開源化、集成化的方向發(fā)展。基于各種新型架構的運動控制卡層出不窮,被廣泛應用于各個運動控制領域。本文針對四軸運動控制卡進行了研究,設計了一種基于數(shù)字信號控制器(DSC)和FPGA架構的四軸數(shù)字量、模擬量運動控制卡。 根據(jù)模塊化設計的思想,確定了運動控制卡功能目標,規(guī)劃并制定了總體設計方案,將運動控制相應功能合理分配到軟硬件的各個模塊中,對各個模塊主要芯片進行了選型,對運動控制過程中涉及的軟硬件問題進行了深入分析并提出了解決辦法。 設計了運動控制卡硬件電路,選取STM32F407ZGT6和EP4CE10F17C8為雙主處理器。基于ARM芯片,根據(jù)控制卡通信需求,設計了上下位機接口、ARM與FPGA通信接口；根據(jù)系統(tǒng)軟件需要,設計了存儲模塊、配置模塊等部分�；贔PGA芯片,根據(jù)運動控制需要,設計了數(shù)字脈沖輸出模塊、模擬量模塊、標志位模塊、編碼器接收模塊及通用I/O口模塊等硬件電路。 基于開發(fā)的硬件平臺,設計了控制系統(tǒng)的軟件結構,嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)到ARM芯片內(nèi),并設計了相應的命令控制程序；采用Verilog HDL語言,在FPGA內(nèi)設計了插補驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)加載模塊、DDA插補模塊,實現(xiàn)了FPGA運動控制模塊設計,并對各個模塊進行了驗證。 完成了控制卡軟硬件調(diào)試,根據(jù)運動控制卡具體特點搭建了測試平臺,結合上位機控制界面、驅(qū)動器、步進電機、伺服電機展開功能測試。實驗結果表明：控制卡實現(xiàn)了步進電機和伺服電機的多軸精確位置控制,性能穩(wěn)定,可以滿足多數(shù)工業(yè)場合應用。
【關鍵詞】：Cortex-M4 四軸 運動控制 FPGA 插補算法
【學位授予單位】：北方工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP273;TG659
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 緒論8-12
• 1.1 課題研究背景8
• 1.2 運動控制卡概述8-10
• 1.2.1 運動控制卡概念9
• 1.2.2 運動控制卡國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀9-10
• 1.2.3 課題來源10
• 1.3 論文主要的研究內(nèi)容10-11
• 1.4 本章小結11-12
• 2 運動控制卡總體設計方案12-18
• 2.1 運動控制卡總體方案12
• 2.2 運動控制卡架構設計12-17
• 2.2.1 運動控制卡方案選型12-13
• 2.2.2 運動控制卡架構設計13-15
• 2.2.3 主要芯片選型15-17
• 2.3 本章小結17-18
• 3 運動控制卡硬件平臺開發(fā)18-37
• 3.1 ARM模塊電路設計18-25
• 3.1.1 接口模塊18-22
• 3.1.2 存儲模塊電路設計22-23
• 3.1.3 ARM芯片配置模塊23-25
• 3.1.4 ARM與FPGA通信接口25
• 3.2 電源模塊電路設計25-28
• 3.3 FPGA模塊電路設計28-34
• 3.3.1 調(diào)試與配置電路29-30
• 3.3.2 脈沖輸出模塊30-31
• 3.3.3 模擬量輸出模塊31
• 3.3.4 標志位模塊31-33
• 3.3.5 編碼器輸入模塊33-34
• 3.3.6 通用I/O口模塊34
• 3.4 六層PCB板設計34-36
• 3.5 本章小結36-37
• 4 FPGA電路模塊設計37-43
• 4.1 FPGA運動控制模塊設計37-38
• 4.2 插補驅(qū)動模塊電路38
• 4.3 插補數(shù)據(jù)加載模塊電路38-39
• 4.4 DDA插補模塊電路39-42
• 4.5 本章小結42-43
• 5 運動控制卡軟件系統(tǒng)開發(fā)43-48
• 5.1 控制系統(tǒng)軟件解決方案43-44
• 5.2 ARM軟件設計44-48
• 5.2.1 μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)移植44-46
• 5.2.2 ARM運動指令控制模塊46-48
• 6 運動控制卡的調(diào)試實驗48-53
• 6.1 測試平臺介紹48-50
• 6.1.1 上位機軟件介紹48-49
• 6.1.2 電機及驅(qū)動器介紹49-50
• 6.2 運動控制卡調(diào)試試驗50-51
• 6.3 本章小結51-53
• 結論與展望53-55
• 結論53-54
• 展望54-55
• 參考文獻55-58
• 申請學位期間的研究成果及發(fā)表的學術論文58-59
• 致謝59

【參考文獻】

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本文編號：722702