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

學(xué)位論文1目錄第一章緒論.61.1引言.61.2研究背景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.71.2.1研究背景.71.2.2國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r.81.2.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.81.3本論文課題來(lái)源和研究?jī)?nèi)容.91.3.1課題來(lái)源.91.3.2研究?jī)?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(jì).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(biāo).122.2.2系統(tǒng)輸入輸出接口要求.132.2.3精度指標(biāo).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(shí)現(xiàn).192.5硬件系統(tǒng)劃分.202.6板級(jí)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(hào)隔離與轉(zhuǎn)換子系統(tǒng).232.6.4電源子系統(tǒng).24學(xué)位論文22.7芯片級(jí)功能劃分.242.7.1總線接口模塊.242.7.2復(fù)位控制模塊.242.7.3中斷控制模塊.252.7.4定時(shí)器模塊.252.7.5鍵盤掃描模塊.252.7.6編碼器計(jì)數(shù)器模塊.252.7.7驅(qū)動(dòng)器控制模塊.252.7.8IO控制模塊.26第三章板級(jí)硬件設(shè)計(jì).273.1板級(jí)設(shè)計(jì)的原則.273.1.1模塊化設(shè)計(jì).273.1.2盡量基于成熟的設(shè)計(jì).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(jì).283.2.1CPU計(jì)算能力.283.2.2實(shí)時(shí)性.293.2.3存儲(chǔ)能力.303.2.4FPGA的選擇和IO擴(kuò)展能力.303.2.5實(shí)現(xiàn)方案.313.3CPU子系統(tǒng).313.3.1ARM子系統(tǒng).313.3.2存儲(chǔ)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(xué)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(hào)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(jí)硬件設(shè)計(jì).394.1FPGA介紹.394.2FPGA的開發(fā).394.2.1HDL語(yǔ)言.394.2.2開發(fā)流程與EDA軟件.404.3ACEX系列FPGA.414.4功能實(shí)現(xiàn).424.4.1總線接口模塊.424.4.2復(fù)位控制模塊.434.4.3中斷控制模塊.434.4.4定時(shí)器模塊.454.4.5鍵盤掃描模塊.474.4.6計(jì)數(shù)器模塊.484.4.7驅(qū)動(dòng)器控制模塊.494.4.8IO控制模塊.504.5HDL編寫注意事項(xiàng).504.5.1HDL的可綜合性.504.5.2硬件思想.514.5.3良好的編碼風(fēng)格.514.6設(shè)計(jì)要點(diǎn).524.6.1同步設(shè)計(jì)和異步設(shè)計(jì).524.6.2與異步器件的接口問(wèn)題.524.6.3面積與速度.53學(xué)位論文4第五章軟件接口設(shè)計(jì).545.1uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).545.2引導(dǎo)結(jié)構(gòu).555.3硬件檢測(cè)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(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jī)床加工試驗(yàn).637.1IO控制試驗(yàn).637.2DA輸出試驗(yàn).637.3編碼器讀取試驗(yàn).637.4電機(jī)控制試驗(yàn).637.4.1位置精度試驗(yàn).637.4.2轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性試驗(yàn).647.4.3最大速度試驗(yàn).647.5加工軌跡圖畫圖試驗(yàn).647.6實(shí)際工件加工試驗(yàn).647.7系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn).65結(jié)束語(yǔ).66學(xué)位論文5參考文獻(xiàn).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(jiǎng)情況.68致謝.69學(xué)位論文6第一章緒論1.1引言近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)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(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國(guó)的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長(zhǎng)27.3%。近年來(lái)我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。據(jù)專家分析預(yù)測(cè)：1、數(shù)控機(jī)床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟(jì)型為主向普及型為主轉(zhuǎn)變。據(jù)預(yù)測(cè)分析，到2005年我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率為9.5%10.36%，到2010年將達(dá)到16.5%19.27%。在20012010年，經(jīng)濟(jì)型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長(zhǎng)，高級(jí)型的需求緩慢增長(zhǎng)。2、數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸趨于合理。數(shù)控機(jī)床工序集中的加工特點(diǎn)，將使具有復(fù)合功能的高效數(shù)控機(jī)床的需求增長(zhǎng)，這將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床擁有量和市場(chǎng)消費(fèi)量中各類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比不同于傳統(tǒng)的機(jī)床構(gòu)成比。3、數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用由單機(jī)向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。目前歐、美、日等國(guó)應(yīng)用DNC已很普遍，柔性制造單元已占數(shù)控機(jī)床銷售量的30%以上。而我國(guó)FMC、FMS和FML的擁有量不足50套，相當(dāng)于日本80年代的水平，占數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額不到5%。4、出口前景良好。1998年及前幾年我國(guó)機(jī)床工具的出口額徘徊在5億美元學(xué)位論文7左右，2000年上升到7.85億美元，隨著東南亞經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和我國(guó)出口多極化市場(chǎng)的形成和鞏固，以及我國(guó)加入WTO，今后幾年我國(guó)機(jī)床出口將實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2005年出口創(chuàng)匯可達(dá)到12億美元。1.2研究背景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1研究背景加入WTO后，外資對(duì)我國(guó)機(jī)械工業(yè)會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的沖擊，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1、部分行業(yè)發(fā)展主導(dǎo)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(guó)內(nèi)處于市場(chǎng)成長(zhǎng)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?xì)廨啓C(jī)、直流輸電關(guān)鍵設(shè)備、半喂入式水稻聯(lián)合收割機(jī)、機(jī)電一體化的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)附配件等；二是單靠有限市場(chǎng)難以發(fā)揮企業(yè)生產(chǎn)能力、迫切需要全球市場(chǎng)支撐的行業(yè)，如高壓開關(guān)、大型變壓器、高檔科學(xué)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(guó)內(nèi)外制造成本相差較大、外方享有明顯的品牌優(yōu)勢(shì)、在華設(shè)廠可以在世界市場(chǎng)獲取豐厚利潤(rùn)的勞動(dòng)密集型或易于流通的裝配型產(chǎn)品行業(yè)，如照相機(jī)、復(fù)印機(jī)、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(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)。隨著服務(wù)貿(mào)易領(lǐng)域?qū)ν忾_放，實(shí)力雄厚的國(guó)外公司可能更積極地到國(guó)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)。3、我國(guó)機(jī)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(jī)械企業(yè)主要承擔(dān)制造車間的角色，技術(shù)來(lái)源主要依靠其母公司，而原本就實(shí)力有限的內(nèi)資企業(yè)在完全開放的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中堅(jiān)持自行研制開發(fā)將冒很大風(fēng)險(xiǎn)，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(guó)際同行的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。4、處于幼稚期的自主產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)環(huán)境趨于嚴(yán)峻。由于國(guó)外企業(yè)將更加不愿轉(zhuǎn)讓技術(shù)，更愿意通過(guò)在華舉辦由他們控制的企業(yè)來(lái)與內(nèi)資機(jī)械企業(yè)爭(zhēng)奪中國(guó)用戶的訂單，國(guó)內(nèi)用戶也有了更多的便利采購(gòu)?fù)赓Y產(chǎn)品，從而部分處于成長(zhǎng)初期的重要產(chǎn)品自主產(chǎn)業(yè)的培育壯大將更困難。學(xué)位論文8在這種嚴(yán)峻的形式下，我們必須發(fā)憤圖強(qiáng)，開發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)。1.2.2國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r1、國(guó)際機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床。1998年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國(guó)進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá)70%，我國(guó)為60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期以數(shù)控電加工機(jī)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(jī)床、成套設(shè)備為主。2、國(guó)外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢(shì)和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車間只是時(shí)間的問(wèn)題。從另一角度來(lái)看，目前流行的ERP即工廠信息化對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，僅僅局限于通常的管理部門（人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計(jì)、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備數(shù)控機(jī)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(méi)有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問(wèn)題。所以，對(duì)于面臨日益全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來(lái)說(shuō)，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機(jī)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(wú)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(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國(guó)外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。1.2.3國(guó)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(dǎo)地位。例如：全長(zhǎng)33公里的上海磁懸浮快速列車線，是“十五”期間國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其中組成列車線的2550根軌道梁是整個(gè)工程的最關(guān)鍵部分，對(duì)加工軌道梁的精度提出了相當(dāng)高的要求。去年年初，沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)機(jī)床股份有限公司中捷友誼廠以工學(xué)位論文9期6個(gè)月、標(biāo)的6200萬(wàn)元在磁懸浮軌道專用數(shù)控機(jī)床項(xiàng)目公開招標(biāo)中折桂，并于8月底將一次性驗(yàn)收合格的8臺(tái)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(shí)現(xiàn)今年年底試車打下了良好的基礎(chǔ)。2、數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，數(shù)控化率顯著提高。2001年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬(wàn)臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28.5%。金切機(jī)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(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。近年來(lái)通過(guò)政府的支持，數(shù)控機(jī)床配套生產(chǎn)得到了快速發(fā)展。如北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)；煙臺(tái)第二機(jī)床附件廠開發(fā)了為數(shù)控機(jī)床配套的多種動(dòng)力卡盤和過(guò)濾排屑裝置；濟(jì)南第二機(jī)床集團(tuán)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(gè)系列100多個(gè)品種的數(shù)控配套產(chǎn)品。1.3本論文課題來(lái)源和研究?jī)?nèi)容1.3.1課題來(lái)源本課題來(lái)源于國(guó)家863項(xiàng)目“嵌入式機(jī)電控制系統(tǒng)及應(yīng)用”（編號(hào)：2003421130）。