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-基于ARM和FPGA的数控系统的硬件设计(new).doc
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-基于ARM和FPGA的数控系统的硬件设计(new).doc
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目 录
第一章 绪 论 ............................................................5
1.1 引言...............................................................................................................................5
1.2 研究背景及国内外发展现状.......................................................................................6
1.2.1 研究背景............................................................................................................6
1.2.2 国外发展状况....................................................................................................7
1.2.3 国内研究现状....................................................................................................7
1.3 本论文课题来源和研究内容.......................................................................................8
1.3.1 课题来源............................................................................................................8
1.3.2 研究内容............................................................................................................8
1.4 论文结构安排...............................................................................................................8
第二章 体系结构设计 .....................................................10
2.1 数控系统体系结构....................................................................................................10
2.2 技术要求....................................................................................................................10
2.2.1 主要性能指标.................................................................................................10
2.2.2 系统输入输出接口要求...............................................................................12
2.2.3 精度指标.......................................................................................................13
2.2.4 其他要求.......................................................................................................14
2.3 总体结构分析............................................................................................................14
2.4 软硬件功能划分........................................................................................................16
2.4.1 软硬件功能划分的原则.................................................................................16
2.4.2 软硬件功能划分的具体实现.........................................................................18
2.5 硬件系统划分............................................................................................................19
2.6 板级功能划分............................................................................................................21
2.6.1 CPU 子系统.....................................................................................................21
2.6.2 FPGA 子系统 ..................................................................................................21
2.6.3 DA 转换子系统...............................................................................................22
2.6.4 信号隔离与转换子系统.................................................................................22
2.6.4 电源子系统.....................................................................................................23
2.7 芯片级功能划分........................................................................................................23
2.7.1 总线接口模块...............................................................................................23
2.7.2 复位控制模块.................................................................................................23
2.7.3 中断控制模块.................................................................................................24
2.7.4 定时器模块...................................................................................................24
2.7.5 键盘扫描模块.................................................................................................24
2.7.6 编码器计数器模块..........................................................................................24
2.7.7 驱动器控制模块..............................................................................................24
2.7. 8 IO 控制模块 ...................................................................................................25
第三章 板级硬件设计 .....................................................26
3.1 板级设计的原则........................................................................................................26
3.1.1 模块化设计...................................................................................................26
3.1.2 尽量基于成熟的设计...................................................................................26
3.1.3 可重构原则...................................................................................................26
3.1.4 兼容性原则.....................................................................................................27
3.2 性能分析与初步设计................................................................................................27
3.2.1 CPU 计算能力................................................................................................27
3.2.2 实时性...........................................................................................................28
3.2.3 存储能力.......................................................................................................29
3.2.4 FPGA 的选择和 IO 扩展能力........................................................................29
3.2.5 实现方案.......................................................................................................30
3.3 CPU 子系统................................................................................................................30
3.3.1 ARM 子系统 ...................................................................................................30
3.3.2 存储器子系统.................................................................................................32
3.3.3 通信接口.........................................................................................................32
3.4 LCD 接口....................................................................................................................32
3.5 FPGA 子系统 .............................................................................................................33
3.5.1 配置电路和下载接口.....................................................................................33
3.5.2 并行接口.........................................................................................................34
3.6 DA 转换子系统..........................................................................................................34
3.6.1 隔离.................................................................................................................34
3.6.2 转换.................................................................................................................34
3.6.3 放大.................................................................................................................35
3.7 信号隔离与转换子系统............................................................................................35
3.8 电源子系统................................................................................................................37
第四章 芯片级硬件设计 ...................................................38
4.1 FPGA 介绍 .................................................................................................................38
4.2 FPGA 的开发 .............................................................................................................38
4.2.1 HDL 语言 ........................................................................................................38
4.2.2 开发流程与 EDA 软件 ..................................................................................39
4.3 ACEX 系列 FPGA .....................................................................................................40
4.4 功能实现....................................................................................................................41
4.4.1 总线接口模块..................................................................................................41
4.4.2 复位控制模块.................................................................................................42
4.4.3 中断控制模块.................................................................................................42
4.4.4 定时器模块.....................................................................................................44
4.4.5 键盘扫描模块.................................................................................................46
4.4.6 计数器模块.....................................................................................................47
4.4.7 驱动器控制模块..............................................................................................48
4.4.8 IO 控制模块 ....................................................................................................49
4.5 HDL 编写注意事项 ...................................................................................................49
4.5.1 HDL 的可综合性 ............................................................................................49
4.5.2 硬件思想.........................................................................................................50
4.5.3 良好的编码风格.............................................................................................50
4.6 设计要点....................................................................................................................51
4.6.1 同步设计和异步设计.....................................................................................51
4.6.2 与异步器件的接口问题.................................................................................51
4.6.3 面积与速度.....................................................................................................52
第五章 软件接口设计 .....................................................53
5.1 uC/OS-II 实时操作系统.............................................................................................53
5.2 引导结构....................................................................................................................54
5.3 硬件检测系统............................................................................................................54
5.4 数控系统程序接口....................................................................................................55
5.4.1 FPGA 接口 ......................................................................................................55
5.4.2 电机运动控制.................................................................................................57
第六章 硬件系统调试 .....................................................58
6.1 CPU 子系统................................................................................................................58
6.2.1 ARM 的基本调试接口 JTAG.........................................................................58
6.2.2 程序的下载与 NOR FLASH 的烧写 ............................................................59
6.2.3 ARM 系统的调试步骤 ...................................................................................60
6.2 LCD 接口....................................................................................................................60
6.3 FPGA 子系统 .............................................................................................................61
6.3.1 基本电路.........................................................................................................61
6.3.2 驱动器控制模块.............................................................................................61
6.4 DA 转换子系统..........................................................................................................61
第七章 软硬件联调和机床加工试验..........................................62
7.1 IO 控制试验 ...............................................................................................................62
7.2 DA 输出试验..............................................................................................................62
7.3 编码器读取试验........................................................................................................62
7.4 电机控制试验............................................................................................................62
7.4.1 位置精度试验.................................................................................................62
7.4.2 转速平稳性试验.............................................................................................63
7.4.3 最大速度试验..................................................................................................63
7.5 加工轨迹图画图试验................................................................................................63
7.6 实际工件加工试验....................................................................................................63
7.7 系统长时间连续运行试验........................................................................................64
结束语 ..................................................................65
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