基于Spartan-6 FPGA的可扩展驱动控制系统

SP605 的这种特性使我们能够使用 QDeSys NetMot FMC的功能来扩展这个基本平台。QDeSys NetMot FMC 具有电机控制所需要的电力电子元件，比如电压逆变器，以及用于采集传感器数据的模数转换器 (ADC)。可以把电机直接与图 2 所示的输入/输出端相连。NetMot FMC 还通过添加两个 CAN 接口和两个以太网物理层接口，扩展了 SP605 的工业网络连接功能。它们通过 FMC 接插件和 PLC，通过标准接口访问FPGA。

测试用 PC 机一方面用作 PLC 软件的主机，另一方面通过 UART 和 JTAG 接口，用作 FPGA编程/调试平台。此外，我们还在这台测试用 PC 机上用赛灵思 ISE®12.1 设计套件为 SP605的 LX45T PFGA 开发 MicroBlazeTM 嵌入式处理器系统。该嵌入式系统负责处理来自 PLC 的命令并相应地对电机进行控制。

图 2 所示的 MicroBlaze 软件应用、网络和电机控制 IP 模块代表随接口(EtherCAT 或 CATopne)和选择的电机类型会发生变化的设计模块。赛灵思设计服务部面临的主要挑战之一是要确保这些选项之间的切换尽量简化，从而保证客户能够在将来把相同的方法重复用于诸如 Profinet 更先进的工业网络类型以及新型电机中。

实现细则

让我们来详细查看 Spartan-6 嵌入式系统的各个组成部分。如图 3 所示，我们使用的电机控制 IP 模块——赛灵思电机控制库 (XMCLIB) 在两个设计版本中是完全相同的。这个定制 IP 核可以直接插在赛灵思嵌入式开发套件 (SDK) 上，让 FPGA 控制 NetMot FMC 的电机电力电子系统。这样我们就可以把 IP 核添加到 Xilinx Platform Studio (XPS) 项目的嵌入式设计中，并对其进行配置，使之适用于通过 FMC 接插件连接到 FPGA 的电机。XMCLIB 软件驱动程序是一套底层功能，使电机控制应用能够访问 XMCLIB 寄存器接口。

图 3：CAN/EtherCAT 嵌入式系统

另一方面，网络 IP 核也是两个系统版本的不同之处。对于 CAN 版设计，我们选择标准的 LogiCORETM IP XPS 控制器区域网络，该网络随同 ISE 12.1 设计套件提供，并由博世公司许可。对于 EtherCAT 版设计，我们使用倍福公司针对赛灵思 FPGA 开发的 EtherCAT 从控制器IP核。两种 IP 核在 XPS 工具的 IP 目录标签上都有提供，使设计的集成和配置工作异常简单明了。在本案例中，我们没有使用简单的驱动程序来提供对网络 IP 核的访问，我们使用了Port 公司 提供的 CANopen 和 EtherCAT 协议栈解决方案。该解决方案提供了功能齐全的开箱即用型协议实施方案。

最终，我们设计出了一种定制嵌入式软件应用，可以在运行于 MicroBlaze 处理器系统的 MicriumμC/OS-II 上运行。μC/OS-II 是一种嵌入式操作系统，可增强原型系统的实时功能，并提供多任务、消息队列和信号量等功能。

我们还意识到，应该让应用的结构能够适用于多种不同的网络接口。为此，我们设计了一个接口抽象层，可以让我们封装通信和软件的电机控制组件。

在这个接口的一侧(图 4)，我们实现了一个网络模块(Port 公司的 CANopen 或 EtherCAT)，用以管理系统中可用网络 IP 核的通信。这些模块可以无缝地插入我们的接口抽象层上。在这些协议栈的顶层，我们把通信和控制数据(比如 PDO、SDO 和 NMT 状态交易)传输到抽象层中，然后抽象层将数据进