基于FPGA的可重構嵌入式運動(dòng)控制卡設計與實(shí)現

　　引言

　　運動(dòng)控制系統廣泛應用于數控機床、機器人、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)等各類(lèi)工業(yè)裝備的控制過(guò)程。隨著(zhù)現代制造業(yè)走向高速化、柔性化，對于運動(dòng)控制系統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，以適應控制對象的變化。

　　本文針對上述需求，提出了一種基于FPGA技術(shù)的可重構嵌入式運動(dòng)控制卡的設計方案。該方案采用ARM Cortex-M3控制器和Xilinx Spartan-3A器件為核心，即可實(shí)現多個(gè)電機軸獨立運行，也可以實(shí)現多軸聯(lián)動(dòng)控制。作為與以往基于軟件實(shí)現的運動(dòng)控制系統不同，通過(guò)在系統引入FPGA，不但能夠輔助CPU實(shí)現各種控制功能，減少CPU的運算負擔，而且能夠在用戶(hù)現場(chǎng)實(shí)現硬件邏輯的重構，實(shí)現運動(dòng)控制系統的靈活配置、升級。

　　運動(dòng)控制卡結構

　　圖1是本文設計的運動(dòng)控制卡總體結構示意。該運動(dòng)控制卡以基于ARM Cortex-M3內核的STM32微控制器為CPU，實(shí)現用戶(hù)命令的解釋、運動(dòng)軌跡規劃及PLC程序執行等功能。由于運動(dòng)控制涉及大規模數據處理，因此擴展了512K x 16位(1M字節)的高速SRAM作為擴展內存。運動(dòng)控制卡與上位機的通訊通過(guò)雙端口RAM實(shí)現，上位機和板上CPU可通過(guò)兩個(gè)獨立的操作接口對雙端口RAM進(jìn)行異步讀寫(xiě)操作，具有極高的通訊效率。同時(shí)，雙端口RAM提供了忙信號、信號量、郵箱等通訊機制，保證訪(fǎng)問(wèn)的可靠性。

　　在運動(dòng)控制卡中，FPGA集成了電機運動(dòng)軌跡的精插補、參考點(diǎn)位置捕捉、編碼器信號解碼、I/O擴展、總線(xiàn)接口等自主設計的IP核，實(shí)現運動(dòng)控制所需的各項功能。CPU通過(guò)其16位并行總線(xiàn)與FPGA進(jìn)行通訊，可以隨機訪(fǎng)問(wèn)FPGA中各IP核的配置及狀態(tài)寄存器。FPGA可通過(guò)配置芯片在上電時(shí)自動(dòng)配置，也可以通過(guò)CPU進(jìn)行配置。