畢業(yè)論文－基于ARM和FPGA的數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計.doc

學位論文1目錄第一章緒論.61.1引言.61.2研究背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.71.2.1研究背景.71.2.2國外發(fā)展狀況.81.2.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀.81.3本論文課題來源和研究內(nèi)容.91.3.1課題來源.91.3.2研究內(nèi)容.91.4論文結(jié)構(gòu)安排.9第二章體系結(jié)構(gòu)設(shè)計.112.1數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).112.2技術(shù)要求.112.2.1主要性能指標.122.2.2系統(tǒng)輸入輸出接口要求.132.2.3精度指標.142.2.4其他要求.152.3總體結(jié)構(gòu)分析.152.4軟硬件功能劃分.172.4.1軟硬件功能劃分的原則.172.4.2軟硬件功能劃分的具體實現(xiàn).192.5硬件系統(tǒng)劃分.202.6板級功能劃分.222.6.1CPU子系統(tǒng).222.6.2FPGA子系統(tǒng).222.6.3DA轉(zhuǎn)換子系統(tǒng).232.6.4信號隔離與轉(zhuǎn)換子系統(tǒng).232.6.4電源子系統(tǒng).24學位論文22.7芯片級功能劃分.242.7.1總線接口模塊.242.7.2復位控制模塊.242.7.3中斷控制模塊.252.7.4定時器模塊.252.7.5鍵盤掃描模塊.252.7.6編碼器計數(shù)器模塊.252.7.7驅(qū)動器控制模塊.252.7.8IO控制模塊.26第三章板級硬件設(shè)計.273.1板級設(shè)計的原則.273.1.1模塊化設(shè)計.273.1.2盡量基于成熟的設(shè)計.273.1.3可重構(gòu)原則.273.1.4兼容性原則.283.2性能分析與初步設(shè)計.283.2.1CPU計算能力.283.2.2實時性.293.2.3存儲能力.303.2.4FPGA的選擇和IO擴展能力.303.2.5實現(xiàn)方案.313.3CPU子系統(tǒng).313.3.1ARM子系統(tǒng).313.3.2存儲器子系統(tǒng).333.3.3通信接口.333.4LCD接口.333.5FPGA子系統(tǒng).343.5.1配置電路和下載接口.343.5.2并行接口.35學位論文33.6DA轉(zhuǎn)換子系統(tǒng).353.6.1隔離.353.6.2轉(zhuǎn)換.353.6.3放大.363.7信號隔離與轉(zhuǎn)換子系統(tǒng).363.8電源子系統(tǒng).38第四章芯片級硬件設(shè)計.394.1FPGA介紹.394.2FPGA的開發(fā).394.2.1HDL語言.394.2.2開發(fā)流程與EDA軟件.404.3ACEX系列FPGA.414.4功能實現(xiàn).424.4.1總線接口模塊.424.4.2復位控制模塊.434.4.3中斷控制模塊.434.4.4定時器模塊.454.4.5鍵盤掃描模塊.474.4.6計數(shù)器模塊.484.4.7驅(qū)動器控制模塊.494.4.8IO控制模塊.504.5HDL編寫注意事項.504.5.1HDL的可綜合性.504.5.2硬件思想.514.5.3良好的編碼風格.514.6設(shè)計要點.524.6.1同步設(shè)計和異步設(shè)計.524.6.2與異步器件的接口問題.524.6.3面積與速度.53學位論文4第五章軟件接口設(shè)計.545.1uC/OS-II實時操作系統(tǒng).545.2引導結(jié)構(gòu).555.3硬件檢測系統(tǒng).555.4數(shù)控系統(tǒng)程序接口.565.4.1FPGA接口.565.4.2電機運動控制.58第六章硬件系統(tǒng)調(diào)試.596.1CPU子系統(tǒng).596.2.1ARM的基本調(diào)試接口JTAG.596.2.2程序的下載與NORFLASH的燒寫.606.2.3ARM系統(tǒng)的調(diào)試步驟.616.2LCD接口.616.3FPGA子系統(tǒng).626.3.1基本電路.626.3.2驅(qū)動器控制模塊.626.4DA轉(zhuǎn)換子系統(tǒng).62第七章軟硬件聯(lián)調(diào)和機床加工試驗.637.1IO控制試驗.637.2DA輸出試驗.637.3編碼器讀取試驗.637.4電機控制試驗.637.4.1位置精度試驗.637.4.2轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性試驗.647.4.3最大速度試驗.647.5加工軌跡圖畫圖試驗.647.6實際工件加工試驗.647.7系統(tǒng)長時間連續(xù)運行試驗.65結(jié)束語.66學位論文5參考文獻.67攻讀碩士期間論文發(fā)表情況.68攻讀碩士期間科研與獲獎情況.68致謝.69學位論文6第一章緒論1.1引言近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。據(jù)專家分析預(yù)測：1、數(shù)控機床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟型為主向普及型為主轉(zhuǎn)變。據(jù)預(yù)測分析，到2005年我國機床數(shù)控化率為9.5%10.36%，到2010年將達到16.5%19.27%。在20012010年，經(jīng)濟型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長，高級型的需求緩慢增長。2、數(shù)控金切機床的構(gòu)成比逐漸趨于合理。數(shù)控機床工序集中的加工特點，將使具有復合功能的高效數(shù)控機床的需求增長，這將導致數(shù)控機床擁有量和市場消費量中各類數(shù)控機床的構(gòu)成比不同于傳統(tǒng)的機床構(gòu)成比。3、數(shù)控機床的應(yīng)用由單機向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。目前歐、美、日等國應(yīng)用DNC已很普遍，柔性制造單元已占數(shù)控機床銷售量的30%以上。而我國FMC、FMS和FML的擁有量不足50套，相當于日本80年代的水平，占數(shù)控機床消費額不到5%。4、出口前景良好。1998年及前幾年我國機床工具的出口額徘徊在5億美元學位論文7左右，2000年上升到7.85億美元，隨著東南亞經(jīng)濟復蘇和我國出口多極化市場的形成和鞏固，以及我國加入WTO，今后幾年我國機床出口將實現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。預(yù)計到2005年出口創(chuàng)匯可達到12億美元。1.2研究背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1研究背景加入WTO后，外資對我國機械工業(yè)會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的沖擊，主要表現(xiàn)在以下幾點：1、部分行業(yè)發(fā)展主導權(quán)有可能受到?jīng)_擊。在以下行業(yè)將表現(xiàn)得更為突出：一是在國內(nèi)處于市場成長期、外方掌握專有技術(shù)并處于壟斷地位的技術(shù)密集型行業(yè)，如燃氣輪機、直流輸電關(guān)鍵設(shè)備、半喂入式水稻聯(lián)合收割機、機電一體化的汽車發(fā)動機附配件等；二是單靠有限市場難以發(fā)揮企業(yè)生產(chǎn)能力、迫切需要全球市場支撐的行業(yè)，如高壓開關(guān)、大型變壓器、高檔科學儀器、高檔數(shù)控系統(tǒng)、智能化工業(yè)控制系統(tǒng)等；三是國內(nèi)外制造成本相差較大、外方享有明顯的品牌優(yōu)勢、在華設(shè)廠可以在世界市場獲取豐厚利潤的勞動密集型或易于流通的裝配型產(chǎn)品行業(yè)，如照相機、復印機、部分工業(yè)和民用儀表、高品質(zhì)低壓電器等。2、工程成套行業(yè)將面臨更嚴峻的競爭。隨著服務(wù)貿(mào)易領(lǐng)域?qū)ν忾_放，實力雄厚的國外公司可能更積極地到國內(nèi)舉辦由其控制的、以工程承包為主要業(yè)務(wù)的工程公司，以其母公司產(chǎn)品為后盾，以熟悉國內(nèi)情況的中方雇員為業(yè)務(wù)骨干，與我內(nèi)資企業(yè)展開激烈的競爭。3、我國機械工業(yè)自主技術(shù)創(chuàng)新的積極性有可能被抑制。由于外資在華機械企業(yè)主要承擔制造車間的角色，技術(shù)來源主要依靠其母公司，而原本就實力有限的內(nèi)資企業(yè)在完全開放的市場競爭中堅持自行研制開發(fā)將冒很大風險，為了節(jié)省投入，提高產(chǎn)品的形象，多數(shù)內(nèi)資企業(yè)將盡可能與外方合作，采用國際同行的技術(shù)進行生產(chǎn)。4、處于幼稚期的自主產(chǎn)業(yè)的成長環(huán)境趨于嚴峻。由于國外企業(yè)將更加不愿轉(zhuǎn)讓技術(shù)，更愿意通過在華舉辦由他們控制的企業(yè)來與內(nèi)資機械企業(yè)爭奪中國用戶的訂單，國內(nèi)用戶也有了更多的便利采購外資產(chǎn)品，從而部分處于成長初期的重要產(chǎn)品自主產(chǎn)業(yè)的培育壯大將更困難。學位論文8在這種嚴峻的形式下，我們必須發(fā)憤圖強，開發(fā)出適合我國國情的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)。1.2.2國外發(fā)展狀況1、國際機床市場的消費主流是數(shù)控機床。1998年世界機床進口額中大部分是數(shù)控機床，美國進口機床的數(shù)控化率達70%，我國為60%。目前世界數(shù)控機床消費趨勢已從初期以數(shù)控電加工機床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機床、成套設(shè)備為主。2、國外數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運用，數(shù)控機床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，目前流行的ERP即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門（人、財、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備數(shù)控機床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數(shù)控化率，即數(shù)控機床必須達到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。以FANUC和西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。1.2.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀1、新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導地位。例如：全長33公里的上海磁懸浮快速列車線，是“十五”期間國家重點建設(shè)項目，其中組成列車線的2550根軌道梁是整個工程的最關(guān)鍵部分，對加工軌道梁的精度提出了相當高的要求。去年年初，沈陽機床集團機床股份有限公司中捷友誼廠以工學位論文9期6個月、標的6200萬元在磁懸浮軌道專用數(shù)控機床項目公開招標中折桂，并于8月底將一次性驗收合格的8臺數(shù)控鏜銑床組成的軌道梁生產(chǎn)線一次試車成功，目前這套銑鏜加工中心已加工出軌道梁1100根，確保了軌道梁的加工精度和速度，為實現(xiàn)今年年底試車打下了良好的基礎(chǔ)。2、數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。2001年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。3、數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。近年來通過政府的支持，數(shù)控機床配套生產(chǎn)得到了快速發(fā)展。如北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺；煙臺第二機床附件廠開發(fā)了為數(shù)控機床配套的多種動力卡盤和過濾排屑裝置；濟南第二機床集團公司的數(shù)控龍門鏜銑床、數(shù)控落地鏜銑床及數(shù)控鍛壓設(shè)備等30多個系列100多個品種的數(shù)控配套產(chǎn)品。1.3本論文課題來源和研究內(nèi)容1.3.1課題來源本課題來源于國家863項目“嵌入式機電控制系統(tǒng)及應(yīng)用”（編號：2003421130）。