基于FPGA的可重構(gòu)嵌入式運(yùn)動控制卡設(shè)計與實現(xiàn)

　　引言

　　運(yùn)動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動生產(chǎn)線等各類工業(yè)裝備的控制過程。隨著現(xiàn)代制造業(yè)走向高速化、柔性化，對于運(yùn)動控制系統(tǒng)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(yīng)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(gòu)嵌入式運(yùn)動控制卡的設(shè)計方案。該方案采用ARM Cortex-M3控制器和Xilinx Spartan-3A器件為核心，即可實現(xiàn)多個電機(jī)軸獨(dú)立運(yùn)行，也可以實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制。作為與以往基于軟件實現(xiàn)的運(yùn)動控制系統(tǒng)不同，通過在系統(tǒng)引入FPGA，不但能夠輔助CPU實現(xiàn)各種控制功能，減少CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，而且能夠在用戶現(xiàn)場實現(xiàn)硬件邏輯的重構(gòu)，實現(xiàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)的靈活配置、升級。

　　運(yùn)動控制卡結(jié)構(gòu)

　　圖1是本文設(shè)計的運(yùn)動控制卡總體結(jié)構(gòu)示意。該運(yùn)動控制卡以基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器為CPU，實現(xiàn)用戶命令的解釋、運(yùn)動軌跡規(guī)劃及PLC程序執(zhí)行等功能。由于運(yùn)動控制涉及大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，因此擴(kuò)展了512K x 16位(1M字節(jié))的高速SRAM作為擴(kuò)展內(nèi)存。運(yùn)動控制卡與上位機(jī)的通訊通過雙端口RAM實現(xiàn)，上位機(jī)和板上CPU可通過兩個獨(dú)立的操作接口對雙端口RAM進(jìn)行異步讀寫操作，具有極高的通訊效率。同時，雙端口RAM提供了忙信號、信號量、郵箱等通訊機(jī)制，保證訪問的可靠性。

　　在運(yùn)動控制卡中，FPGA集成了電機(jī)運(yùn)動軌跡的精插補(bǔ)、參考點(diǎn)位置捕捉、編碼器信號解碼、I/O擴(kuò)展、總線接口等自主設(shè)計的IP核，實現(xiàn)運(yùn)動控制所需的各項功能。CPU通過其16位并行總線與FPGA進(jìn)行通訊，可以隨機(jī)訪問FPGA中各IP核的配置及狀態(tài)寄存器。FPGA可通過配置芯片在上電時自動配置，也可以通過CPU進(jìn)行配置。