基于ARM+FPGA的嵌入式數(shù)控裝置設計*

費繼友 周 茉

（大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028）

自第一臺數(shù)控機床問世以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從硬件數(shù)控（NC）到計算機數(shù)控（CNC）的發(fā)展過程。硬件數(shù)控是指零件加工程序的輸入、運算、插補及控制功能均由邏輯電路完成。計算機數(shù)控能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件。計算機數(shù)控系統(tǒng)雖然減少了數(shù)控裝置邏輯電路，提高了數(shù)控裝置的通用性和可靠性，但存在資源浪費，操作系統(tǒng)實時性差等問題［1］。數(shù)控系統(tǒng)的開放性、模塊化和重構(gòu)設計是目前數(shù)控技術領域研究的熱點，目的是為了適應技術發(fā)展和便于用戶開發(fā)自己的功能［2］。

1 基于ARM+FPGA的數(shù)控裝置組成與功能

基于ARM+FPGA的嵌入式可重構(gòu)數(shù)控裝置采用Samsung公司的 S3c2440微控制器［3］，Xilinx 公司的Xc3s400芯片為核心進行設計。S3c2440是基于ARM920T內(nèi)核的微控制器，Xc3s400是40萬門FPGA芯片?；贏RM+FPGA的數(shù)控裝置組成及在數(shù)控機床中的位置如圖1所示。

ARM作為數(shù)控裝置的核心部件，對從數(shù)據(jù)存儲器中讀取或直接從上位PC或網(wǎng)絡獲得的零件加工代碼和控制信息進行譯碼、運算、邏輯處理。FPGA接收ARM計算、處理結(jié)果并按控制要求對進給電動機進行控制。

基于FPGA的步進電動機控制器產(chǎn)生控制進給電動機運轉(zhuǎn)的脈沖序列，經(jīng)進給電動機驅(qū)動裝置送機床進給電動機，實現(xiàn)對坐標軸速度和位置的“軌跡控制”，并與PLC的順序控制配合，完成零件加工任務。

上位PC用于復雜零件加工程序代碼編制、仿真以及從車間調(diào)度層和車間管理層下載工藝數(shù)據(jù)等。PC與ARM間采用串行總線或網(wǎng)絡通信，當ARM與局域網(wǎng)或Internet連接時，可實現(xiàn)數(shù)控裝置的網(wǎng)絡化控制。

數(shù)控裝置軟件由操作系統(tǒng)軟件和數(shù)控應用軟件組成。為了提高數(shù)控裝置的實時性，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，數(shù)控應用軟件采用C語言編程。

2 ARM與FPGA接口設計

ARM與FPGA通過配置總線，通信接口連接［4］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。配置總線用于實現(xiàn)ARM對FPGA的配置。通信接口用于ARM與FPGA之間數(shù)據(jù)和命令信息的傳輸。由于ARM沒有單獨的I/O尋址空間，將FPGA直接與ARM存儲器總線連接，ARM以訪問存儲器的方式訪問FPGA。ARM對FPGA控制時僅需對其進行寫操作，使ARM對進給電動機的控制變得簡單方便。

基于SRAM的FPGA加電時需要配置來預備其功能，F(xiàn)PGA的配置文件一般由片外專用的EPROM加載。這種配置在FPGA功能相對固定的情況下采用，為了提高數(shù)控裝置的重構(gòu)性，由ARM以JTAG的ISP方式對FPGA進行配置［5］。

Xc3s400配置模式M2：M1：M0電平設置為0：0：1，利用ARM的GPG0、GPG3、GPG5和GPG6引腳分別連接FPGA芯片的TD0、TMS、TDI和TCK。JTAG驅(qū)動算法是ARM以JTAG模式配置FPGA的關鍵，算法調(diào)用SVF配置文件，解釋其中的語法規(guī)范，生成嚴格的TAP總線時序［6］，驅(qū)動ARM通用I/O引腳實現(xiàn)對FPGA的配置。配置過程要求控制器的驅(qū)動電平不能低于TAP的工作電平，ARM的驅(qū)動電平采用3.3 V。

3 步進電動機控制器設計

四相步進電動機有A、B兩組線圈。A、B兩組線圈垂直擺放時電流方向的排列組合，最多可產(chǎn)生8種磁場方向（0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°）。數(shù)控裝置進給電動機控制器以對四相步進電動機的控制為例，采用Verilog HDL語言設計，用ISE 7.1仿真。

步進電動機控制器由接口模塊［7］、分頻器模塊、步進電動機時序產(chǎn)生模塊等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中接口模塊包括脈沖量初值寄存器，地址“00”；控制命令寄存器，地址“01”；分頻系數(shù)寄存器，地址“11”。步進電動機時序產(chǎn)生模塊包括移動和定位控制模塊、電動機方向設定模塊和步進電動機相位編碼模塊。

步進電動機控制器根據(jù)ARM每個插補周期計算出的步進脈沖數(shù)量，利用賦初值的方式送移動與定位控制模塊進行定位控制。定位功能通過減法器實現(xiàn)，在每個clk_out脈沖上升沿，用步進脈沖數(shù)量減去不同激磁方式的步進數(shù)累加值。當差值小于設定的累減計數(shù)值時，說明步進電動機旋轉(zhuǎn)到了預定角度，實現(xiàn)定位。

3.1 控制命令寄存器定義

控制命令寄存器由一個8位寄存器組成，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示［8］。

INITIAL：當該位為1時，分頻系數(shù)寄存器的數(shù)據(jù)直接寫入分頻器模塊的分頻寄存器［7：0］，寫入后由硬件置“0”。

NEWR：當對正在運行的控制器寫入新的分頻系數(shù)時，對該位置1。在下一個分頻器模塊輸出的clk_out時鐘來到時，將分頻系數(shù)寄存器中新的分頻系數(shù)“N”寫入分頻寄存器，分頻器模塊便按新的分頻系數(shù)進行分頻。

MODE［1：0］：步進電動機激磁方式選擇，用來控制步進電動機相位編碼模塊的輸出狀態(tài)。當目標角度是90°整數(shù)倍時，MODE［1：0］的值為“01”，表示采用一相激磁方式，單四拍方式輸出，四相位輸出為（A-B-C-D）；當目標角度是 45°，135°，225°，315°整數(shù)倍時，MODE［1：0］的值為“10”，表示采用二相激磁方式，雙四拍輸出，四相位輸出為（AB-BC-CD-DA）；否則 MODE［1：0］的值為“11”，表示八拍方式輸出，四相位輸出為（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）。

DIR：步進電動機的方向控制，DIR=0為正轉(zhuǎn)，DIR=1為反轉(zhuǎn)。

3.2 分頻器模塊設計與仿真

分頻器是對進給電動機實現(xiàn)控制的關鍵，其分頻系數(shù)由分頻寄存器提供?；鶞蕰r鐘CLK被分頻器模塊分頻后，輸出clk_out作為步進電動機相位編碼模塊的時鐘，每個clk_out脈沖到來時，產(chǎn)生一次相位轉(zhuǎn)換，步進電動機運行一個步距角。通過改變脈沖的個數(shù)可控制角位移量，達到定位目的。調(diào)節(jié)脈沖頻率可控制電動機轉(zhuǎn)動的速度，達到調(diào)節(jié)運動速度的目的。

分頻器模塊端口定義如下：

分頻器模塊仿真結(jié)果如圖5所示。

3.3 方向設定模塊設計與仿真

方向設定模塊通過將控制命令字寄存器DIR的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電平信號，實現(xiàn)對方向的設定。方向設定模塊同時完成步進電動機在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時所需的初值與累加/減值的設定，并通過加/減計數(shù)器實現(xiàn)。

方向設定模塊加/減計數(shù)器端口定義如下：

方向設定電路模塊仿真結(jié)果如圖6所示。

從計數(shù)器模塊的仿真結(jié)構(gòu)圖中可以看出，當復位信號CLR=0時，復位系統(tǒng)，Q=0。當CLR=1時，每當時鐘脈沖clk_out的上升沿到來時，若DIR=1，則進行減法計數(shù)，輸出Q減1；若DIR=0，則進行加法計數(shù)，輸出Q加1。

3.4 相位編碼模塊設計與仿真

步進電動機相位編碼模塊的功能是將計數(shù)模塊的數(shù)值經(jīng)過編碼，再輸出給DCBA，實現(xiàn)對進給電動機的控制。相位編碼模塊的功能通過譯碼器實現(xiàn)。

譯碼器端口定義如下：

相位編碼模塊仿真結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)語

基于ARM+FPGA的嵌入式數(shù)控裝置以ARM替代CNC系統(tǒng)中的計算機平臺，以FPGA替代CNC系統(tǒng)的外圍硬件邏輯電路，并采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)。具有配置靈活，實時性強，體積小，穩(wěn)定性好和性能價格比高等特點，應用前景廣。

［1］孫愷，王田苗，魏洪興.基于ARM的嵌入式可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2003，31（6）：116-117.

［2］朱高峰，張艷蕾.數(shù)控系統(tǒng)的可重構(gòu)性設計［J］.制造技術與機床，2008（5）：36-38.

［3］田家林，陳利學，寇向輝.基于ARM與FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設計［J］.機床與液壓，2007，35（2）：93-94.

［4］閔華松，王娜.基于Linux嵌入式數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計［J］.制造技術與機床，2007（12）：33-34.

［5］葛立明，范多旺，陳光武.基于ARM的FPGA加載配置實現(xiàn)［J］.微計算機信息 2007，23（1/2）：244.

［6］武文權(quán)，楊根慶.基于ARM微控制器配置FPGA的實現(xiàn)［J］.計算機應用，2004，24（8），156-157.

［7］黃志文.一種基于FPGA的步進電動機接口電路設計［J］.微電動機，2009，42（5）：82-83.

［8］陳汝倬.基于FPGA的步進電動機控制器設計［J］.科技信息，2009（8）：85-86.