基于ARMS和FPGA的嵌入式数控系统设计

摘要：提出了一种基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统设计方案。详细介绍了ARM系统的软硬件设计，基于FPGA的硬件精插补实现方法以及数控系统的加减速控制策略。该系统将ARM运行速度快、计算精度高的优点和FPGA内部逻辑的在线可重构性等特点相结合，提高了资源利用率和实时性，增强了数控系统的灵活性。仿真和实践结果表明，整个控制系统具有实时性好、低成本、高性能等优点。
关键词：ARM；FPGA；数控系统；插补

0 引言
现有的数控系统中多采用工控机加运动控制卡的计算机数控系统方案进行运动控制器的设计。随着工控机整体功能日趋复杂，对运动控制系统的体积、成本、功耗等方面的要求越来越苛刻。现有计算机数控系统在运动控制方面逐渐呈现出资源浪费严重、实时性差的劣势。此外，数控系统的开放性、模块化和可重构设计是目前数控技术领域研究的热点，目的是为了适应技术发展和便于用户开发自己的功能。本文基于ARM和FPGA的硬件平台，采用策略和机制相分离的设计思想，设计了一种具有高开放性特征的嵌入式数控系统。该数控系统不仅具备了以往大型数控系统的主要功能，还具备了更好的操作性和切割性能，而且在开放性方面优势更为突出，使数控系统应用软件具有可移植性和互换性。

1 基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统整体方案
基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统结构如图1所示。按照模块划分的思想，本文将控制器分为人机交互、插补算法和通信三部分。系统中ARM采用三星公司推出的16／32位RISC微处理器S3C2440A，它采用了ARM920T内核，核心频率高达400MHz。FPGA采用Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

2 S3C2440A控制系统
ARM作为数控系统的控制核心主要负责对从数据存储器中读取或直接从上位PC或网络获得的零件加工代码和控制信息进行译码、运算、逻辑处理，完成加工数据的粗插补以及人机界面和数据通信。ARM系统是整个数控系统的控制核心，在嵌入式操作系统的管理下，采用分时处理的方式实现整个系统的信息处理和粗插补运算，通过键盘、触摸屏等输入装置输入各种控制指令，对数控系统的实时运行状态通过LCD、指示灯等显示，实现人机友好交互。基于S3C2440A控制器有各种通信接口，包括RS232、RS485、以太网口、USB等接口模块。通过这些接口实现文件传输和网络控制。
嵌入式数控的软件系统总体结构如图2所示。系统的软件结构主要分为两部分：操作系统软件和数控应用软件。由于数控系统是个实时多任务系统，实时性要求很高，为保证各个任务的协调执行，本系统采用了μC／OS-II实时操作系统作为软件平台。

要实现该操作系统在S3C2440A微处理器平台上的正常运行，需要修改与处理器类型有关部分的代码，操作系统移植需要完成的工作是改写三个文件，即改写文件0S_CPU．H、0S_CPU_A．ASM和OS_CPU_C．C。其中0S_CPU．H包括了用#define语句定义的，与处理器相关的变数、宏和类型。0S_CPU_A．ASM中定义了几个汇编语言函数，包括中断服务程序的中断向量地址等。如果某些C编译器允许在C语言中直接插入汇编语言语句，就不一定需要，用户可以把所需的汇编语言代码直接放到OS_CPU_C．C文件中。

3 ARM和FPGA的接口设计
为使系统能够按照预期设计良好工作，首先要从硬件上实现ARM和FPGA之间的可靠通信。本文采用的方案是在FPGA上实现SRAM时序，将FPGA作为一块特殊的内存设备挂接到ARM的内存地址空间。这样在ARM端只需要编写SRAM的驱动程序就可以实现对FPGA端的数据写入和读取。
3．1 SRAM时序
SRAM时序分为读时序和写时序两种。当CPU对SRAM进行读操作时，首先会在地址线上写入正确的地址信号，接着是对SRAM芯片的片选信号，然后是对芯片的读信号，之后经过一定的振荡期后CPU在数据线上读到稳定的有效数据。
当CPU对SRAM进行写操作时，首先会在地址线上写入正确的地址线号，接着是对SRAM芯片的片选信号，然后是对芯片的写信号，在写信号上升沿之前CPU会在数据线上准备好有效数据，以供SRAM芯片在写信号上升沿将数据写入相应的地址单元。
3．2 FPGA端SRAM实现
ARM和FPGA的通信需要的接口信号有地址线A0-A15、数据线D0-D15、片选信号nCS，读信号nRD和写信号new，每次需要实现16位数据的读写。用Verilog硬件语言描述SRAM时序如下：

可知只有在片选信号、读信号都拉低而写信号仍为高的情况下，才在data线上输出地址线上对应单元的数值，其他情况下FPGA都将data线置为高阻态，放弃对data线的控制。

4 基于FPGA的DDA精插补器设计
随着FPGA器件及其开发技术的日臻成熟，采用FPGA实现运动控制的方案显示出巨大的潜力。由于FPGA的设计是并行的、多线程，而且具有在线可编程能力，兼备了速度快和成本低的优点，同时克服了专用处理器灵活性方面的不足。基于FPGA的DDA精插补器相对传统的软件插补具有强大的优势。
4．1 数字积分插补算法
目前比较成熟的数控插补算法有逐点比较法、最小偏差法和数字积分法等，数字积分法又称数字微分分析器(Digital Differential Analyzer，DDA)。采用该方法进行插补，具有运算速度快、逻辑功能强、脉冲分配均匀等特点，可实现一次、二次甚至高次曲线插补，易于实现多轴联动。
数字积分插补算法是将函数的积分运算转换成变量的求和运算。如果所选择的脉冲当量足够小，则用求和运算代替积分所引起的误差可以不超过允许的数值。采用两个寄存器(函数寄存器和累加寄存器)和一个全加器构成数字积分器，将单位周期选得足够小，每单位周期都向累加器累加函数寄存器中的数值，如果累加器溢出，就向外发送脉冲，实时地改变函数寄存器的值，就可以完成步进电机的调速。DDA插补控制器设计的硬件描述语言程序的流程图如图3所示。