（机械电子工程专业论文）实时pythagorean+hodograph曲线运动控制器asic的设计与实现.pdf

摘要 摘要 在高速高精度的数控加工中，进给速度的剧烈波动会对加工质量产生严重影 响。为了保持进给速度恒定，要求刀具在单位时间内走过的曲线弧长为定值。另 外刀具半径补偿在数控加工中占有重要地位，而刀补与偏置曲线有密切关系。目 前，在弧长和曲线偏置的实时计算方面，还存在计算精度低、计算量大等有待解 决的问题。 为了解决上述问题，美国学者r t f a r o u l d 和t s a k k a l i s 提出了p y t h a g o r e a n h o d o g r a p h 曲线( 即毕达哥拉斯速端曲线，简称p h 曲线) 。p h 曲线是一类特殊的 多项式参数曲线，与现有的c a d 系统的b 6 z i v r b 样条曲线兼容。利用p h 曲线能 够实现曲线弧长和偏置曲线的快速计算，能够较为简便地实现迸给速度控制。 为了进一步提高p h 曲线数控插补技术的加工精度与插补速度，本文提出并实 现了一种单个f p g a 芯片上构建的实时p h 曲线运动控制器a s i c 。该a s i c 在 f p g a 开发软件q u a r t u s i l 9 0 中设计，由一个n i o s i i 软核处理器和多个功能模块构 成。它通过采用二次插补方式以减少p h 曲线插补的计算量。n i o si i 处理器执行主 控程序和p h 曲线粗插补算法，f p g a 硬件逻辑执行精插补算法并输出两组用于执 行机构( 2 个步进电机) 运动控制的脉冲。 在v i s u a lc + + 6 0 中开发了上位机p c 和该运动控制器a s i c 的专用串行通信 软件。用户可以在p c 中输入所有与p h 曲线插补有关的数据和控制指令( 如插补 起始点和结束点坐标信息、p h 曲线的b e r n s t e i n 系数、进给速度、刀具半径等) ， 这些数据和控制指令可通过串行通信方式传送到该a s i c 中。 实验数据表明，在进给速度恒定的情况下，包含刀具补偿算法的单次p h 曲线 插补平均耗时小于2 m s 。 得益于f p g a 的硬件优势，该实时p h 曲线运动控制器a s i c 具有高速、高精 度、高集成度等优良特性，可以满足高速高精度数控加工的需要。 关键词p y t h a g o r e a nh o d o g r a p h ( p h ) 曲线：插补；运动控制器：a s i c ；f p g a i x a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h eh i g h - s p e e da n dh i g h p r e c i s i o nc n c m a c h i n i n g ，t h ef l u c t u a t i o n so ff e e dr a t e w i l lh a v eas e r i o u si m p a c to n t h eq u a l i t yo fm a c h i n i n g a c c o r d i n g l yt h ea r cl c n g t l la l o n g t h ec u r v et r a v e r s e db yt o o li nau n i tt i m ei sr e q u i r e dt ob ec o n s t a n tv a l u ei no r d e rt o m a i n t a i nac o n s t a n tf e e dr a t e i na d d i t i o n ，t h ec u t t e rc o m p e n s a t i o np l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei np l a n n i n gt h et o o lp a t h sf o rc n cm a c h i n i n g , a n di ti sc l o s e l yr e l a t e dw i t ho f f s e t c u r v e h o w e v e r , c u r r e n t l yt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m st ob es o l v e di nt h er e a l - t i m e c o m p u t i n go f a r cl e n g t ha n dc u r v eo f f s e t ，s u c ha sl o wa c c u r a c y , l a r g ec o m p u t a t i o ne t c p y t h a g o r e a nh o d o g r a p hg u r v e ( r e f e r r e dt oa sp hc u r v e ) w a sp r o p o s e db y t h et h e a m e r i c a ns c h o l a rr t f a r o u k ia n dt s a k k a l i st os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s p hc u r v e s ， w h i c ha r ec o m p a t i b l ew i t ht h eb e z i e r b - s p l i n er e p r e s e n t a t i o n so fc a ds y s t e m s ，a r ea s p e c i a lc l a s so fp o l y n o m i a lp a r a m e t r i cc u r v e s t h er a p i dc a l c u l a t i o no fa r cl e n g t ha n d o f f s e tc u l v oc a nb ea c h i e v e db yu s i n gp hc u r v e t h ef e e dr a t ec o n t r o lc a nb ea c h i e v e d m o r ee a s i l yb yu s i n gp hc u r v e i no r d e rt of u r t h e r i m p r o v et h ea c c u r a c ya n dv e l o c i t yo fp hc u i v ec n c i n t e r p o l a t i o n , t h en o v e la r c h i t e c t u r eo ft h er e a l - t i m em o t i o nc o n t r o l l e ra s i cf o r p y t h a g o r e a nh o d o g r a p h c u r v eb u i l to n as i n g l ef p g ac h i pi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e a s i c d e s i g n e di nq u a r t u si i9 0c o n s i s t so fas o f t c o r en i o si ip r o c e s s o ra n dm u l t i p l e f u n c t i o n a lm o d u l e s i tu s e sat w o - s t a g e i n t e r p o l a t i o ns c h e m et or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a l b u r d e no fp hc u r v ei n t e r p o l a t i o n f i r s t l y , m a s t e rc o n t r o lp r o g r a ma n dt h el = - s t a g e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma r ee x e c u t e db yt h en i o si ip r o c e s s o r t h ef p g ah a r d w a r el o g i c p e r f o r m st h e2 * a - s t a g ei n t e r p o l a t i o na n do u t p u t st w og r o u p so fp u l s e sf o rt h em o t i o n c o n t r o lo f a c t u a t o r s ( t w os t e p p e rm o t o r s ) 1 1 l ed e d i c a t e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb e t w e e np ca n dt h ea s i ci s d e v e l o p e di nv i s u a lc h 6 0 u s e r sc a ne n t e rt h ed a t aa n dc o n t r o li n s t r u c t i o n sr e l a t e dt o p ht u l l ei n t e r p o l a t i o ni np c ( s u c ha sd a t ao fi n i t i a lc o o r d i n a t e sa n dd e s t i n a t i o n 山东大学硕士学位论文 c o o r d i n a t e s ，b e r n s t e i nc o e 伍d e n t s ，f e e dr a t ea n dt o o lr a d i u se t c ) t h ed a t aa n dc o n t r o l i n s t r u c t i o n sa r es e n ti n t ot h ea s i cv i as e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e e x p e r i m e n t a l d a t as h o wt h a tt h e a v e r a g et i m eo fe a c hs t e p o fp hc u r v e i n t e r p o l a t i o ni n c l u d i n gt h et o o lc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sl e s st h a n2m sw h e nt h ef e e d r a t ei sc o n s t a n t b e n e f i t i n gf r o m t h ea d v a n t a g e so ff p g ah a r d w a r e , t h er e a l t i m em o t i o n c o n t r o l l e ra s i cf o rp hc i ：r v eh a st h ee x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e d , h i g h a c c u r a c y , h i g hi n t e g r a t i o ne t c t h ea s i ci sa b l et om e e tt h en e e d so fh i g h - s p e e da n d l l i g h - p r e c i s i o nc n cm a c h i n i n g k e y w o r d sp y t h a g o r e a nh o d o g r a p h ( p h ) c u r v e ；i n t e r p o l a t i o n ；m o t i o nc o n t r o l l e r ；, a s i c ； f p g a 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今世界上一切工业制成品，无一不是直接或间接由机床所制造的机器或工 具器械所制造的，因此机床又被称为工作母机，而机床的现代化程度又集中体现 在数控机床上。数控机床是工业自动化的基础，数控技术是数控机床的关键技术。 现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信 息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术等先进技术于一体，是 现代制造技术的基础。数控技术是提高生产效率与工业产品质量必不可少的物质 手段，其广泛使用给机械制造业的生产方式、产业结构以及管理方式带来极为深 刻的变化，其关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、 柔性化、集成化生产的基础，现代的c a d c a m 、f m s 、c i m s 等都是建立在数控 技术基础之上，离开了它，先进制造技术就成了无本之木。数控技术的发展和运 用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。 不仅如此，数控机床是实现国防现代化的重要战略物资，国外发达国家对高 档数控机床出口的严格管制以及举世瞩目的“东芝事件 充分反映了高档数控机一 床在武器装备制造业所起到的至关重要的作用。因此，数控设备产业是体现国家 综合国力的重要基础性产业，数控技术总体水平高低与数控设备保有量是衡量一 个国家制造业现代化程度的核心标志。专家们曾预言：机械制造的竞争，其实质 是数控的竞纠。 有鉴于此，各工业发达国家都竞相发展本国的数控产业。由于数控产业的发 展并不完全是企业行为，而是某种程度上体现了政府意志，其发展快慢依赖于各 国政府的支持程度。因此，各主要发达国家都采取了一些扶持本国数控产业发展 的政策措施。我国政府十分重视国内数控技术的发展，大力支持发展数控产业， 把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。 0 且运行方向x d ：f ：h o l d 视为有效值) ， 若为有效值，在时钟信号c l k 上升沿的触发下，环分器开始进行工作：首先根据 x d 实际值判断当前状态的下个状态是哪一个状态，判断完成后状态机从当前状态 转换为下个状态；然后查询在各个状态上的a 、b 、c 、d 各相通电定义，分别从 x o u t a 、x o u t b 、x o u t c 、x o u t d 四个端口输出相应的矩形脉冲，同时变量x c o u n t 记录 状态机的转换次数；最后判断x c o u n t 是否等于x b s 。如果两者相等，将x 轴状态转 换完成信号x c o m p f l a g 置为高电平，此时环分器可接收下个数据x b s 、x d 。如果两 者不等，在下个时钟信号c l k 上升沿的触发下，环分器重复进行上述一系列工作。 3 3 3 模块工作原理及端口连接电路原理 一 ； i i n 呤 喝b u ：； ； x髓 u t p l i t 1) x o o t a x f i f 0 o l kx 妯 b u t p l i t 1) x o t l l 出 d 蠢a 【7 9 1 q 7 0 1 ： l ； d a t 嘲l f j d l 删o 的l i j t p l i t ) x 0 4 且c a t 嘲2 p , j d l x o u t d o u t p l i t ) x o u t d w r r e q f u l l 降 ； 1 一 m p t vy o o t a n h t p l i t ) y o t n a l y e m p t yy o u l b o h t p l i t 1) y o u t b r d r e qe m p t y d a t a e r k l y o t l o o h t p l i t 1) y o u t o y o t “l l；，一i-，-，： m a d l y r e a d f i n i s h c l o c k i 一。一，一，一 8b i t sx1 2 8 i l m v d $ 吼2 4 图3 5 精插补模块电路原理图 精插补模块电路原理图如图3 5 示。c l k 、分别为时钟信号、使能信号输入 端i ：1 ，x e m p t y 、y e m p t y 分别为x 轴与y 轴f i f o 空指示信号输入端口，d a t a i n i 7 。o 】、 d a t a i n 2 7 0 】分别为x 轴与y 轴粗插补数据输入端口，d a t a e n d 为传输粗插补数据结 束信号输入端口。x o u t a 、x o u t b 、x o u t c 、x o u t d 与y o u t a 、y o u t b 、y o u t c 、y o u t d 为两 组控制脉冲输出端口，用于分别连接片外x 轴、y 轴四相步进电机驱动电路。x x e a d 、 y r e a d 分别为读取x 轴、y 轴f i f o 的粗插补数据使能信号输出端口，f i n i s h 为所有 插补任务完成信号输出端口。 3 s 山东大学硕士学位论文 豳3 击精插补模块的端口连接电路图 精插补模块与f i f o 、n i o s i i 处理器的端口连接电路如图3 - 6 示。为了保证精 插补模块读取粗插补数据的平稳性，用于精插补模块时序控制的高频时钟信号c l k 与2 个f i f o 所使用的时钟信号c l o c k 的频率均相同。在每个插补周期内，n i o si i 处理器完成粗插补运算后，通过2 个数据写入f i f o 控制模块分别向x f i f o 、y f i f o 发出写数据请求信号w r l 、w r 2 ，并向精插补模块发出使能信号朋。在w r o 、w r 2 为l 且f i f o 存储数据未满( 即溢出指示信号f u l l 为o ) 的情况下，n i o s i i 处理器 才能分别向x f i f o 、y f i f o 的输入端口d a t a 7 0 】写入每个x 轴、y 轴的粗插补数 据。 当e 1 信号置为l 时，精插补模块开始工作，并自动侦测x f i f o 、y f i f o 中是 否已存有粗插补数据。如果已存有数据，精插补模块则分别从x f i f o 、y f i f o 的 输出端口q 7 0 】读取数据，若读取到有效粗插补数据，则将读取下个数据使能信号 x r e a d 、y r e a d 置为低电平( 即不能分别从x f i f o 、y f i f o 中读取下个粗插补数据) ， 经过精插补运算器计算后分别给x 轴、y 轴环分器发出精插补数据( 包含步进脉冲 个数和方向) 。x 轴、y 轴环分器分别输出相应的控制脉冲，完成后分别向精插补 模块发出输出完毕信号精插补模块如果接收到x 轴和y 轴的输出完毕信号后， 则断本次精插补是否完成，若没有完成，继续进行本次精插补；若已经完成，则 一露 第三章p h 曲线运动控制器a s i c 的设计与实现 1_ _- _ _ _ - - _ _ _ _ _ 图3 7 精补模块工作流程图 3 3 4 模块的v h d l 语言描述 精插补模块的实体v h d l 语言描述如下： e n t i t yj i n g c h a b ui s 3 7 山东大学硕一l ：学位论文 p o r t ( e i l ：i ns t d j o g i c ； c l k ：i ns t d _ l o g i c , d a t a i n1 ：i ns t d _ l o g m _ v e c t o r ( 7d o w n t o0 ) ； d a t a i n 2 ：i ns t d _ l o g m _ v e c t o r ( 7d o w n t o0 ) ； x e m p t y ：i ns t d _ l o g r e 。； y e m p t y ：i ns t d _ l o g m ； d a t a e n d ：i ns t d _ l o g l e ； x o u t a ：o u ts t d _ l o g i c ； x o u t b ：o u ts t d _ l o g l e ； x o u t c ：o u ts t d _ l o g m ； x o u t d ：o u ts t d _ l o g m ； y o u t a ：o u ts t d _ l o g m ； y o u t b ：o u ts t d _ l o g m ； y o u t c ：o u ts t d _ l o g l e ； y o u t d ：o u ts t d _ l o g m ； x r e a d ：o u ts t d _ l o 西c ； y r e a d ：o u ts t d _ _ l 0 9 1 e ； f i n i s h ：o u ts t d _ l o g i c ) ； e n de n t i t yj i n g c h a b u ； 在实际设计中，构造体中包含三个进程，进程l 用于实现精插补运算器，进 程2 用于实现步进脉冲环分器，进程3 用于判断所有精插补任务是否完成。 当粗插补数据传输结束信号d a t a c n d 为l 时，进程2 开始判断判断x f i f o 、 y f i f o 是否均为数据已空，如果“是一则判断信号x c o m p f l a g 、y c o m p f l a g 是否均 为l ，如果均为l 说明x 轴、y 轴状态转换都已完成，即x 轴、y 轴精插补都已完 成，故进程3 认为所有精插补任务完成，令f i n i s h 端口输出高电平。 3 3 5 模块功能仿真 完成模块的v h d l 设计后，在q u m u si i9 0 中编译模块并生成网表文件，该 第三章p h 曲线运动控制器a s i c 的设计与实现 模块须占用1 3 8 个l e 和3 2 个p i n 。创建好仿真波形文件后，在s i m u l a t o rt o o l 中 生成功能仿真网表，并开始功能仿真。 环分器子模块在一个完整运行周期内的输出脉冲功能仿真波形如图3 8 所示。 v d u e - 1 7 0 0 e x k 1 n 1 x o u t tb1 x c 咀t b10 t t o 咀t cb0 x m a t db 0 y t n t t t b1 y m a t b 10 y o t t t c 1 0 y m a t d b0 皇i t 【9 墨l t 【9 ) p ， 4 0 9 i t s 8 0 9i t s 1 2 0 on l l pn ，2 0 0 i 1 7 0 0i t s j 广1 广1 广1 广1r 1广1 广1l 广- 1 ： lii i；广一 ： i lr _ ：【! ! xl ! ! x 堕! x 3 1x 4 1x 【5 】x 8 1x 7 1x 【8 1 ： 【9 】x 【豇 莲亘联【l 】u 2 】x 【3 】x 【4 】x 【s 】x 【6 】x 【t 】x 【8 】：【9 】兀i ； ： 图3 - 8 一个完整运行周期内的输出脉冲功能仿真波形图 由于仅测试精插补模块8 个端口的输出矩形脉冲功能，故屏蔽了一些不必要的输 入输出端口波形。从波形图中可以看到，从5 n s 到1 7 0 n s 之间，x o u t a 、x o u t b 、x o u t c 、 x o u t d 输出步进电机在一个运行周期内正转时所需的矩形脉冲波形，即 a a b - b - b c c - c d d d a ：y o u t a 、y o u t b 、y o u t c 、y o u t d 输出在反转时所需的矩形脉 冲波形，即a a d d d c c - c b b b a 。 n a a e t t i m e 8 甍可j j m 靠阿i n l 州阿s 嫩厂e n 厂? y a l a e l i m e 0 ，t oe 1 a t o inli d 2i o n t l0 d 3x m a t bl o 0 4 l m a t el 0 囔多5t r e a t 41 0 口6 f m a t t l0 口7r m a t b - 0 o o f m a t c l 0 0 9 r m a t d 0 0 1 0羞t e 州瞳 【0 】 0 1 6j ”o 皿t 【0 】 i p 2 2jt l a t t i a l m 产3 1jd a t t i n 2 m “盥盔瞄菹瞳li 图3 - 9 赋予输入端口测试数据的模块输出仿真波形图 3 9 山东大学硕：l = 学位论文 赋予d a t a i n l 、d a t a i n 2 少量测试数据后的模块输出仿真波形如图3 - 9 所示。由 图中可得知，在t l = 1 0 n s 时刻分别赋予d a t a i n l 、d a t a i n 2 端口x 轴、y 轴粗插补测试 数据0 3 、0 1 ( 原为二进制数据，为书写方便采用十六进制) ，经过精插补运算后， 输出端口x o u t a 、x o u t b 、y o u t a 、y o u t b 即刻输出高电平，说明x 轴、y 轴坏分器都 发生了1 次状态转换，x 轴、y 轴的正方向都进给1 个最小设定单位；经过2 个时 钟周期( 4 0 n s ) 后表明只有x 轴环分器又发生了2 次状态转换，x 轴的正方向已进 给2 个单位，y 轴不进给：又经过1 个时钟周期状态保持不变，表明在t 3 = 7 0 n s 时 刻x 轴环分器状态转换已完成，完成本次精插补。另外，在时钟信号上升沿的触 发下，如果模块未能获取有效的x 轴、y 轴粗插补数据或x 轴、y 轴进给已完成， 那么模块将x r e a d 、y r e a d ( 读取下个数据使能信号) 分别置为l 并保持不变；如果 模块已获取有效数据，那么x r e a d 、y r e a d 将在下个时钟信号上升沿的触发下分别 罱为0 。由上述分析町知各端口的输出波形符合预期要求。 在实际应用中会发生暂停精插补而又重新启动的情形，因此进行了在精插补 工作过程中赋予使能信号e n 不同信号值的仿真，如图3 1 0 所示。 蓄m 踟t h b 嚣丽f 刖面l 删r 隔s 嫩厂一e 时广 a 蔓 叹 毪 * 气 - 鼹 垒l y 1 u i i b e 5 0 睁0 e j k 矿l雠b 寸2x o l t b 口3x o u t bb 口4x o u t cb 口5x o n t db 口6 l r m a t a b 口7 y ”a t b b 口8 i r o t t c b 口9 y a t d b 移1 0x c o _ t t 移1 6i3 e c o u a t 移趁id t i i d h 画3 1嗣d a t a i n 2 m 口4 0l r d 寸4 1 l r r e a 4 豳函瞳1 m l l ) p l 2 0 9m9m9m9u1 0 0 pm1 2 0 pm1 4 0 1 dh 5 0 0u j r 厂 厂厂 l i ： ： 0 1x【l 】x“】x【0 】 【0 】： ：x x ：i 们 i ： 1 i l ； | 、 一“一 ： 型 图3 1 0 使能信号舶变化时的模块输出仿真波形图 从图3 - 1 0 中可以看到，从5 0 n s 到7 0 n s 之间e l l 为0 ，此期间的x 轴、y 轴环 分器的输出波形与上个时钟周期波形相同，表明没有发生状态转换。在t = 7 0 n s 时 变为l ，x 轴环分器的输出波形也发生变化，表明状态已经开始转换。 4 0 第三章p h 曲线运动控制器a s i c 的设计与实现 y 1 u f f m * 8 0 一0 e l ka l nb 口2x ( m t ab 口3l q t bb 寸4 x o u t eb 谚5x o u t db 寸6 ：r o u t e l 口ty o u t b b 口8 ，t c b 口9y o u t a b 0 1 0圈l c w l t 移1 6 曩”m t 痧2 2叠d a t a i z d h i p 3 i瞳d “止 h 谤4 0 t r d 寸4 1 i r r * a d i 4 2 y m p t y b 4 3 x u p t f b 沙4 4f i n i h p 4 5i t l i db ，五，j l涛 】p u 一：一9 螂4 0 9m 一- ，孙6 0 i 嬲：- “8 0 9i s ，捌 8 0 0n j lilliii广 ii i i i i ：【o 】【l 】x【引xc o ：【o 】 ：xxjj j ：xx； l il i l i l 氟翻 剑 幽3 - 1 1 模拟n i o s i i 处理器向精插补模块发出d a t a c n d 信号后的仿真波形图 如图3 - 1 1 所示，在t l = 8 0 n s 时刻模拟n i o si i 处理器向精插补模块发出了d a t a e n d 信号( 此时刻d a t a c n d 从0 变为1 ) ，此时信号x e m p t y 、y e m p t y 均已为l ，表明 x f i f o 和y f i f o 中所存数据已经被全部读取，而且此时刻x 轴、y 轴进给均已完 成，表明精插补结束，因此f i n i s h ( 所有精插补任务完成信号) 从0 变为l 。 3 4 其它模块构建与功能仿真 3 4 1 手动控制模块 p o r tf r o mt h ey d a t , a i 【7 0 】 - i ： m b 啊自懈 劬 一 ：p o r t _ f r o m t h e _ d a t a e n d s i g l 坚一 - ，始瞪 b y h崆 n d f r o m t h e d i vc l , t , 0 l i - ：i ： o u t _ p o dl o mt h e _ e n _ s i g ：i ： 图3 1 2 手动控制模块与n i o si i 处理器连接电路图 用户可通过手动控制模块控制精插补模块，在精插补工作过程中实现暂停启 动功能。手动控制模块与n i o si i 处理器连接电路如图3 1 2 所示。 4 l a甍叹卧托|t呻一昧虬 山东大学硕十学位论文 输入端口c n i n 与n i o s i i 处理器发送精插补使能信号的端口相连，时钟信号输 入端口c l k 与分频器相连。输入端口k e y l 与片外开关按键k e y 相连，按下k e y 时 k e y l 为低电平，释放k e y 后k e y l 为高电平。输出端口e l l 与精插补模块使能端口 相连。 n i o si i 处理器发出精插补使能信号( 高电平有效) 后，若按键k e y 无动作，则 手动控制模块的端口伽也输出高电平。若按键k e y 被按下，则e n 输出低电平，精 插补模块运行暂停；若按键k e y 再次被按下，则输出高电平，精插补模块再次 运行。当n i o s l l 处理器发出精插补禁止信号时，胁立即输出低电平，停止精插补 模块运行，此后按键k e y 功能失效。直到n i o sl i 处理器再次发出精插补使能信号 后，按键k e y 才继续有效。 考虑到在实际运用中按键信号的双边沿会存在毛刺或抖动现象，因此模块中 必须有消除抖动信号的没计。在v h d l 设计中，在时钟信号的触发下分别使用2 个并发进程对按键信号k e y l 的高电平和低电平的持续时间独立进行计数，同时使 用第3 个并发进程进行判断：只有当高电平的持续时钟周期数大于某一个值n 时， 则判定为有效高电平信号；同理当低电平的持续时钟周期数大于某一个值m 时， 则判定为有效低电平信号。这样可以有效过滤掉抖动信号。已过滤好的按键信号 作为第4 个进程的触发信号，判断端口e l l 输出何种电平。该进程采用了状态机的 设计模式，状态r u n 时e l l 输出高电平，状态p a u s e 时o n 输出低电平，n m 和p a u s e 可相互转换，如图3 1 3 所示。 瑶墨翅 匠盈畸 图3 1 3 手动控制模块的状态机示意图 手动控制模块的功能仿真波形如图3 1 4 所示。从图中可以看出，对按键信号 k e y l 的消除毛刺、抖动效果很明显，模块可以识别出真正的按键信号。在2 次按 键信号的触发下，姐的输出从1 变为0 ，再变为1 。在t = - 8 5 n s 时刻，e n i n 为0 ， 同时开始输出0 。因此，功能仿真符合预期要求。 第三章p h 曲线运动控制器a s i c 的设计与实现 辨d wo 0p s 曲0bl 沙lbl 睁2k e y lbl u p 3c l k 0 o k e y 0 确灞矧满 3 4 2fif o 存储器 图3 1 4 手动控制模块的功能仿真波形图 在设计中须用到2 个f i f o 存储器，构建过程如下所示：打丌q u a r t u si i9 0 中的t o o l s - m e g a w i z a r dp l u g - i nm a n g e r 。 然后选择输出文件格式为v h d l ，文件名 定制，如图3 1 5 所示。 图3 1 5f i f o 定制界面 4 3 山东大掌硕士学位论文 设置该f i f o 的数据宽度为8 位，深度为1 2 8 。选择了输出控制信号为f u l l 和 e m p t y 两项，其中f u l l 为存储数据溢出指示信号，e m p t y 为f i f o 已空指示信号。 d a t a 7 o 为数据输入口，q 7 0 】为数据输出口。w r r e q 和r d r e q 分别为数据写入和数 据读取请求信号，高电平有效。c l o c k 为时钟信号。同理可实现具有相同数据宽度 和深度的y f i f o 。由q u a r t u sl i9 0 自动生成f i f o 模块的输出文件后，手动添加这 些文件到工程中，然后在设计中就可以调用这个f i f o 模块并实例化。 由于直接调用宏功能模块实现f i f o 模块，因此不再对该模块进行单独仿真。 3 4 3p l l 模块与分频器 c y c l o n e i i i i i 等系列的f p g a 中含有嵌入式模拟锁相环( 即p l l 模块) ，它可 以与一个”外输入时钟h 步，并以其作为参考信号。实现锁柏，从而能够输出若干 个同步倍频或分频的片内时钟，以供f p g a 逻辑系统使用。与直接来自外部的时 钟相比，这种片内时钟可以减少时延和时钟变形，减少片外干扰，还可以改善时 钟的建立时间和保持时间，是系统稳定、高速工作的保证【2 5 】。在a s i c 设计中，使 用p l l 模块为n i o si i 处理器、f i f o 存储器、精插补模块、手动控制模块及数据写 入f i f o 控制模块等片内模块提供工作时钟信号。 。静一u j 署；茎鬻鼍一棚- 黧圜雕娶嬲戮缀黧夏零缀嬲灏翳鬻辫鬻缀照 口口口_ - _ - l _ m 目- j m “ pir ) 0 一：- ； f眦t o n p 蜘矗t 她r e 嗥酣e df u i r c n ：_ 一，= c o 嗽t _ 5 e 岬 藁隧产 r _ 矗灿d 吐n 簪枷一钾优h 节 打仉舡n d 咄f 嗍 磊矗dh hz 葳 辅西硒西 i 一，e r t f a p 哇d o 吐p 皇_ _ 畦e r i 酗口岵“f m ： 1 一1 f h 一f t t “ c o p r 1 j ，。i i 。i ；毫或。一： 曲噎舾批 ! 蔓 置；蜘一曼旦，! o o c k o u w c 岫1 ) 5 0j 0 一j l 印0 0 叵圈 p 冒c l 口吐氏日盎i y 耵d c 蕾一 c oc l 图3 1 6 设置p l l 输出端口时钟频率 第三章p h 曲线运动控制器a s i c 的设计与实现 p l l 模块构建方法与f i f o 存储器相同，也是在m e g a w i z a r dp l u g i nm a n g e r 中调用与定制的。设置p l l 的输入时钟频率为4 8 m h z ，选择p l l 的控制信号为锁 相标志输出信号l o c k e d 。在图3 1 6 所示界面设置输出端口c o 的时钟频率为4 8 m h z ， 选择时钟相移和占空比为默认值。 p l l 所提供的4 8 m h z 时钟频率供n i o si i 处理器和片# f s d r a m 存储器使用。 c y c l o n e 系歹i j f p g a 的p l l 最低仅提供1 5 5 m h z 的时钟频率，因此设置p l l 端v l c l 的 输出时钟频率为2 0 m h z ，再将时钟信号c 1 通过一个分频器。分频器的分频系数由 进给速度决定。n i o si i 处理器获取了用户输入的进给速度后，计算出相对应的分频 系数，并将其传递给分频器。分频器根据分频系数将时钟信号c 1 分频后供f i f o 和 精插补模块使用以满足进给速度的需要。为了降低系统硬件架构的复杂度，同样 频率的时钟信号也供给手动控制模块、数据写入f i f o 控制模块使用。 分频器功能仿真波形如图3 一1 7 所j 。从图中i 叮以看到，该分频器能够实现2 0 0 0 0 分频功能。功能仿真符合预期要求。 晗 a 荚 叹 * m 蜘l i m e b a c 厂_ 而m p o k 崦 2 3 r 4 3 mi n k c v , # i 2 2 3 4 3 m s i a r t e n d y d n t - o 1 0 0 ” 口0c l k 0 诊1c 1 如 0 9 2田e o x l i n t 【 】 1 4 0 0n i2 8 00n s3 2 00n s 3 8 00rt$4000rt$4400n s i 一j i 3 4 4 数据写入fif o 控制模块 为了保证n i o si i 处理器发送的某一个粗插补数据不被重复写入f i f o 中，因而 设计了数据写入f i f o 控制模块。该模块有2 个，分别用于控制x 轴、y 轴粗插补数据 写入x f i f o 、y f i f o 。对于同一个粗插补数据，该模块通过控制相应f i f o 的使能端 使这个数据只能被写入f i f o 一次。 数据写入f i f o 控制模块与n i o si i 处理器连接电路如图3 18 所示。时钟信号输入 端e l c l k 与分频器相连，模块所使用的时钟频率与p l l 模块相同。2 个模块的c l e a r 均 为清零信号输入端口，分别与处理器相应的信号输出端口相连。2 个模块的w r 0 均 4 5 山东大学硕一i ：学位论文 为数据写入使能信号输入端口，都与处理器同一个信号输出端e l w r s i g 相连( 图中 未显示) 。w r l 、w r 2 分别为x 轴、y 轴粗插补数据写入f i f o 的使能信号输出端口。 图3 1 8 数据写入f i f o 控制模块与n i o si i 处理器连接电路图 数据写入f i f o 控制模块功能仿真波形如图3 1 9 所示。图中大椭圆内时间段为 一个n i o sl i 处理器发送粗插补数据周期。在每个发送数据周期内，当f i f o 写使能 信号w r l 为l 时，图中小椭圆内时间段内仅允许有一个时钟c l l 【上升沿信号以供将粗 插补数据写入f i f o 中，这样可以有效防止同一个数据被重复写入f i f o 中。 y 1 u ， p s 9m9mt 2 0 p 螂瑚p 眦p z 4 0 o ” - 】p s 0p s l 移。国e a t o ： 【o j工【】x 【2 】i】x 【i 】x ( 2 】x+ 】i 【l lx 2 1 x【盯 一口 d 0 叼越。r r 几nr r r 门门n t t o- 巾- 0 ；q 一：j p ； ：i ：i i! l i 口1 i- r i 0 静 蚁 ljl广 t ，1 26 i 止 o n i 发送粗插补 & 事 数据周期 图3 - 1 9 数据写入f i f o i j 空制模块功能仿真波形图 当n i o sl i 处理器完成本次粗插补运算后，将写允许信号w r 0 置为1 并发送本次 粗插补数据。数据写入f i f o 控制模块接收到w r o 信号后，仅在最近的下个时钟周期 内将信号w r l 置为l ，令处理器刚发送的数据只能被写入f m o 一次。当写入操作完 毕后，模块向处理器发送写操作完成信号f i n i s h ( 高电平有效) 。处理器接