（电力电子与电力传动专业论文）基于可编程片上系统（sopc）的可重构网络化运动控制器.pdf

广东工业大学t 学硕+ 学位论文 l _ i i l i _ l _ l l _ l _ - _ l l _ i - l i _ _ i = _ _ - e = 目- _ _ 目_ _ i _ 目_ _ - l _ _ _ _ _ - _ l _ l l _ _ _ _ - - _ _ - l _ a b s t r a c t m o t i o nc o n t r o l l e ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y ，n a t i o n a ld e f e n s e ，a n dp e o p l e sd a i l y l i f e h o w e v e rt h ea r c h i t e c t u r eo fc u r r e n tm o t i o nc o n t r o l l e rh a sm a n ys h o r t c o m i n g s ， s u c ha sh u g es i z e ，n o ts u p p o r t i n gn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , a n dd i f f i c u l t yw h e n c h a n g i n gf u n c t i o n s t h e s eh a v em a d ec u r r e n tm o t i o nc o n t r o l l e r si s o l a t ef r o mt h eo u t e r w o r l d ，a n dg r e a tr e s o u r c eb ew a s t e dw h e nu p g r a d e a i m i n ga ts o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ， t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h ea r c h i t e c t u r eo fm o t i o nc o n t r o l l e r s t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ec o m m o na r c h i t e c t u r e st h a ta r eu s e di nm a n y m o t i o nc o n t r o l l e r s ，a n dp o i n t so u tt h e i rp r o b l e m sa ts i z e ，c o m m u n i c a t i o n ，f l e x i b i l i t y w i t ht h ea i mo f p e r f o r m a n c es c a l a b l ea n df u n c t i o ne x t e n d a b l e ，p r o p o s e san e wm o t i o n c o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e ，f e a t a r e dw i t h s i n g l e c h i p ，h a r d w a r er e c o n f i g u r a b l e a n d n e t w o r ka n di n t r o d u c es y s t e m - o nc h i pt e c h n o l o g y ，r e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r ea n d e m b e d d e ds o l u t i o nt h a tb e u s e di nd e s i g n i n gt h i sn e wm o t i o nc o n t r o l l e r i nt h i s a r c h i t e c t u r e ，t h ef u n c t i o ni sd i v i d e df r o mt o pt ob o t t o m i no r d e rt or e a l i z et h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r e ，u s es o p ct h a ti st h ei n t e g r a t i o no f n i o ss o f tp r o c e s s o ra n dl a r g e s c a l ep r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yt oa c h i e v eh a r d w a r e p l a t f o r m d u r i n gd e s i g n i n gh a r d w a r es y s t e m , d os o m ew o r k sa c c o r d i n gt ot h ed e s i g n p r o c e s so fs o p ca n ds t u d yt h em e t h o da n dp r o c e s so fi pc o r e s a tt h es a m et i m e ， a n o t h e rt w oi pc o r e si sc o n s t r u c t e du s i n gv h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e t h i st w oi pc o r e sa r et h r e ep h a s es i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) c o n v e r s i o na n ds i g n a l g e n e r a t i o n o fd cm o t o rc o n t r 0 1 i no r d e rt oi n c r e a s e p e r f o r m a n c e ，u c o s i i ，ak i n d o fr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m , i si n t r o d u c e d i n t o s o f t w a r ed e s i g n c a r v eu pt h es o f t w a r e s y s t e ma n du s et h i so p e r a t i n gs y s t e mt o m a n a g et a s k sa n dp a s sp a r a m e t e r f i n a l l y ，b u i l dat e s tp l a t f o r m t h ep r o t o t y p es y s t e mi st e s t e di nt e r m so fr e m o t e c o n t r o la n dh a r d w a r er e c o n f i g u r a t i o n t h er e s u l ts h o wt h a t ，u s e r sc a nc o n t r o lar e m o t e m o t o rb ys e n d i n gc o m m a n d si naw e bb r o w s e r ，a n ds i m p l yr e p l a c i n gt h es i g n a l i i g e n e r a t i o ni pc o r e s ，u s e r sc a r lc o n t r o ld i f f e r e n tt y p em o t o r s t h i sp r o v e st h a tt h en e w a r c h i t e c t u r ed o e sw e l li ni n t e n d i n gc o n t r o l l e r sf u n c t i o n s k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l l e r ；h a r d w a r er e e o n f i g u r e ；s y s t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ( s o p c ) ；r e m o t em o t i o nc o n t r o l ；r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i i n i 广东t 业大学t 学硕+ 学位论文 - l i - _ _ _ _ _ l l _ _ l - e _ - | _ _ _ l = i _ l e e j _ i 1 1 日e j 日e e _ _ e l - _ _ _ _ 目_ i l _ - i _ l _ - i _ _ _ l l _ i _ - 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 伊1 年厂月叮r 第1 章至 ；论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题得到广东威灵电机制造有限公司的资助。 1 2 课题意义 运动控制器主要是对不同类型和数量的电机进行控制，完成指定的动作，它 具有很高的控制精度、响应速度，易于使用，因此应用非常广泛。运动控制对国 民经济、国防，以及人民的生活水平，都具有重要的意义。可以说只要存在电机 和其他动力装置，就必然存在运动控制问题。然而，随着技术的发展，传统的运 动控制器在网络化和体积方面已经不能满足实际应用的要求，迫切的需要一种新 的运动控制器来解决这些问题。本文在各种新技术的背景下，对新型的网络运动 控制器进行了探索和研究。 1 3 课题背景 1 3 1 运动控制器现状及其问题 运动控制系统是指以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件， 以电机动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置【l l 。它的主要任务是根据 用户的要求和传感器器件的反馈信号进行必要的运算，为电机或其他动力和执行 装置提供正确的控制信号。简单而言，运动控制就是用于对机械装置的位置、速 度进行实时的控制和管理，使运动部件按照运动参数和预期的轨迹完成相应的动 作1 2 1 。 运动控制系统一般结构图如图卜l 所示，它通常包括参数设置、运动控制器， 广东i 。业大学下学硕+ 学位论文 _ _ _ i l _ i _ l j _ _ l _ i _ _ _ l t l _ i _ _ j 1 日= = i l # ! j _ l | 日_ l _ - _ l l l _ - l _ _ - _ i _ _ _ _ l - _ - _ _ l _ 参数 设置 年亘 图1 i 运动控制系统的基本组成 f i g i - ic o m p o s i t i o no f m o t i o nc o n t r o ls y s t e m 信号变换和功率放大、执行机构和反馈系统几个部分”l 。首先用户通过参数设置 部分将速度、控制和位置命令交给控制信号生成部分。在对控制命令进行分析以 后，控制器会产生相应的控制信号，来控制执行机构完成指定的运行轨迹。反馈 系统则负责采集执行机构在运动控制过程中的各种参数，并将他们交给控制信号 生成部分。该部分将综合分析这些反馈数据，并结合预先设置的控制参数，对输 出的控制信号进行调整。 在图1 - 1 的运动控制系统中，产生控制信号的运动控制器是控制系统中最重 要的组成部分。首先控制信号必须是根据速度或者位簧命令，根据一定的控制算 法而产生的讵确信号。其次，需要对各种反馈信号进行各种分析，从而能够根据 当的执行机构的状态对控制信号进行调整和和优化。 评价运动控制器通常有两个指标，控制算法和轴数。控制算法决定控制信号 的质量。目前已存在各种成熟的控制算法，比如p i d 控制算法等1 4 】。但是这些算 法一般都比较复杂，运算量大，给控制器的实现带来一定的困难。随着硬件技术 的不断发展，特别是d s p 的出现，运动控制器获得了飞速的发展。d s p 是一种专 门针对计算量非常大的应用设计的处理器。它对大量数据进行了优化。与普通的 c p u 相比，完成同样的数据处理任务，d s p 的运算速度至少要快卜2 个数量级。例 如美国德州仪公司( t i ) - 9 期推出的d s pt m s 3 2 0 系列芯片内部带有专门的乘法器， 因此完成一次1 6 1 6 位的乘法运算只需要l o o n s ，完成1 6 点的快速傅立叶变换( f f t ) 只要5 8 0 n s i s 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 专门针对电机运动的数字化控制，几 种先进的外设被集成到芯片中，专用于运动控制。因此几乎所有现代复杂的运动 控制系统都使用了d s p 芯片进行控制信号处理。 轴数是评价运动控制器的另外一个指标。所谓轴数，是指运动控制器所能同 时控制电机的数目。在一个复杂的控制系统中可能存在多个电机，并且需要对他 们进行同时控制。由于控制器的计算量的成倍增加，这时候只有采用专用的控制 2 孚南 ， 第1 章绪论 芯片或者性能非常高的d s p 芯片才能达到要求。 在电子技术和计算机技术的支持下，运动控制器得到了飞速发展，但是仍然 存在一些问题，首先，目前的运动控制器一般都使用一台p c 机作为上位机，实现 用户界面并对底层硬件参数进行设置。这不但使得系统成本过高，而且运动控制 器的体积偏大，从而限制了他们的使用范围。其次，大多数运动控制系统中的控 制器没有考虑i n t e r n e t 技术对运动控制系统的影响，不支持网络通信和远程运动 控制。对于少数支持网络通信的运动控制系统，则由于通信协议方面的不兼容的 问题，导致各个系统之间不能相互交互信息。另外，现在的运动控制系统都是采 用专用集成电路加外部分离元件，并在一个p c b 板上实现。这种实现方法使硬件 电路一旦实现就无法改变，如果需要对控制算法或者功能改变，则必须把原有的 p c b 全部换掉，导致浪费。 1 3 2 硬件可重构计算 硬件的效率和灵活性是一对矛盾，为了追求效率就必须牺牲灵活性，相反要 使得灵活性高就必须牺牲效率。j 下是在这对矛盾中，硬件沿着高效和通用灵活两 个对立面发展，并且取得了巨大的成功，形成了两种计算机模式，即专用计算模 式和通用计算模式。a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 技术 是硬件朝着专用化和高效率发展的结果。a s i c 芯片都是针对特定的应用背景进行 设计和优化，并且直接使用逻辑电路对数据进行处理，因此执行效率非常高，功 耗很低。与此相反，c p u 则是硬件通用化的代表。c p u 通常具有一套指令集，通过 执行指令来完成所要求的运算和操作。因此，一个问题只要能用程序来表达，那 么就可以利用c p u 来解决这个问题。c p u 的这种灵活性使它得到了广泛的应用。 然而通过软件的方法解决问题常常效率比较低。 随着集成制造电路技术的发展，出现了基于f p g a 的硬件可重构技术，他同时 具有a s i c 的高效率低成本和c p u 的灵活性。f p g a 由美国x i l i n x 公司1 9 8 5 年发 明的，它的基本结构如图1 - 2 所示1 6 l 。f p g a 的核心是逻辑单元阵列，外围是可编 程i o 单元，逻辑单元之间连接关系是可以改变的。 f p g a 芯片促进了第三种计算模式的诞生，即可重构计算模式。在这种新的计 广东工业大学工学硕士学位论文 鼹黜圈圈器髑8 囡8 | 图卜2f p g a 芯片的内部结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo f f p g a 算模式中，对数据的处理算法既不表现为通用计算模式中程序指令，也不像专用 计算模式那样被固化在a s i c 芯片中，而是以f p g a 芯片配置文件的形式存在。这 些配置文件将根据特定的需求把f p g a 芯片内部的可重构逻辑单元重新组织起来， 形成一个与a s i c 芯片类似的专用处理电路。图卜3 对比了基于a s i c 的专用计算 幽1 3 通j 计算、专h 计算和可重构计算的模式的比较 f i g i - 3c o m p a r i s o no f g e n e r a l s p e c i a la n dr e c o n f i g u r a b l ec a l c u l a t i o nm o d u l e 模式、基于c p u 的通用计算模式，以及基于f p g a 的可重构计算模式之间的异同l ”。 从图1 - 3 可以看出，可重构计算同时具有通用计算的灵活性( 其功能可以通 过f p g a 配置文件来改变) 和专用计算的效率( 一旦完成配置过程，它将像a s i c 芯片一样进行工作) 。 使用可重构计算模式可以很好的解决现有运动控制器硬件一旦固化、升级不 方便的缺点。在应用可重构计算模式对，需要对系统的体系结构进行合理的划分， 把需要改进和升级的部分分离出来，并使用硬件可重构技术来实现。当将来升级 时，只需要针对他们进行一次硬件重构，用新的模块代替旧的模块即可。 自从1 9 4 7 年诞生的第一个晶体管以来，半导体技术的发展十分迅猛。半导 4 第l 章绪论 体技术的发展主要朝两个方面，一是缩小特征尺寸，提高芯片容量【8 】。半导体的 另一个发展方向是扩大工艺的兼容性，使不同功能的多个模块能集成到一个芯片 上，包括数字电路、模拟电路、射频电路，以及各种机械声光化学等传感器。 这些技术发展的直接结果便是系统芯片( s y s t e m o n - c h i p ) 的出现，即把一个芯 片上实现原来整个系统的功能，包括输入、输出、数据存储、数据处理等。系统 芯片功能强、体积小、集成度高、功耗低，因而可以帮助运动控制器摆脱p c 机的 束缚，解决体积过大的缺点。 伴随功能的增加而来的是系统芯片复杂性的增加，这给设计者提出了巨大的 挑战，为此研究者提出了基于平台的设计方法【9 i ，并采用i p 核复用技术来控制设 计的复杂度1 1 0 l 。基于平台设计方法的设计思想是基于一个现有的系统架构进行设 计，从而避免芯片设计一切从头来。芯片架构有些部分针对特定类型应用已预先 定义好，通常包含处理器、实时操作系统( r t o s ) 、外围i p 模块、一些存储器及 总线结构。用户可以通过添加i p 模块、可编程f p g a 逻辑或编写嵌入式软件来定 制芯片设计。i p 核是i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y 的缩写，表示的是预先设计好的模 块，可以在今后的硬件设计任务中进行重用，从而减少设计工作量，缩短设计周 期j i l l 。 本文提出的运动控制器结构，就是利用了系统芯片技术，将运动控制器的大 部分功能用单个f p g a 来实现，从而减少了运动控制器的体积，使之能够与电机集 成在一起。 1 4 本文的主要工作 本文以运动控制系统为背景，以运动控制器为研究对象，结合可重构计算和 系统芯片技术，对片上可重构网络化运动控制器结构进行研究，以实现运动控制 器的高性能和灵活性。主要工作如下： 1 对现有运动控制器常用的结构进行研究，分析它们在体积、灵活性方面 存在的不足，并对一些新出现的运动控制器结构进行研究。 2 将系统芯片技术、硬件可重构和嵌入式i n t e r n e t 技术结合起来，对运动 控制器结构进行了研究，提出一种片上可重构网络化运动控制器结构，实现功能 可扩展，性能可伸缩，并且支持远程i n t e r n e t 控制功能。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 以n i o s 硬件开发板为目标平台，运用可编程片上系统( s o p c ) 技术，研 究该种结构的实现方法。其中包括基于s o p c 系统的软硬件设计方法，用户自主设 计i p 核的流程等，在此基础上以实现一个片上可重构的网络化运动控制器原型系 统，以证明该种结构的可行性。 4 建立系统测试的软硬件平台，从远程运动控制和硬件可重构两个方面对 原型系统进行测试和评价，以验证该种新结构的可行性。 1 5 论文结构 本文共分5 章，第1 章为绪论，主要提出课题的来源、意义和相关的研究背景， 同时介绍本文所做的工作。第2 章介绍当| j i 运动控制器常用的结构，并将它们的优 缺点进行分析，提出一种片上可重构网络化运动控制器结构。第3 章以n i o s 硬件丌 发板为目标平台，运用可编程片上系统( s o p c ) 技术，用户自主设计i p 核，配罨 原型系统硬件平台。第4 章将实时操作系统u c o s - i i 引入到原型系统软件设计中， 并对系统软件部分任务进行了详细的划分，实现系统的软件部分。第5 章对原型系 统进行测试，通过实验来证明该种结构的可行性。 6 第2 章运动拧制；| ：；结构分析 2 1 引言 第2 章运动控制器结构分析 运动控制的核心是运动控制器，而运动控制器的结构是决定运动控制器功能 的主要因素。因此，对现有运动控制器结构进行分析是进行改进和创新运动控制 器的6 口提。本章将研究目前常用的运动控制器结构，对每种结构的特点进行分析， 并提出了一种片上可重构的网络化运动控制器结构。 2 2 运动控制器结构分类 通常运动控制器结构可以分为三类：纯粹基于p c 机的控制结构，基于p c 机 和运动控制卡的结构，以及基于嵌入式计算结构 ”】。 第一类结构如图2l 所示。其中p c 机完成所有的运动控制任务，包括用户 控制信号 臣二卜 图2 - 1 基丁p c 的返动控制器结构 f i g ，2 1s t r u c t u r e o f m o t o rc o n t r o l l e rb a s e do n p c 界面、参数设置、控制信号生成、反馈信号处理等。这种方法的优点是应用非常 灵活。而且可以很方便的更改运动控制的类型以及对系统进行升级。但是在这种 体系结构中，控制信号都是通过在c p u 上执行算法程序而得到的，因而控制系统 的控制效果完全取决于p c 机上的c p l 处理能力。另外这种机构使得系统成本过 高，而且运动控制器的体积偏大。从而限制了他们的使用范围。 2 3 基于p c 机和运动控制卡的运动控制器结构 第二类结构如图2 _ 2 所示，采用了基于p c 和运动控制卡相结合的办法来解 决单纯利用p c 机所带来的不足。在这类运动控制器中，p c 机负责提供一个友好 的用户界面，记录用户的参数设置，并将这些参数传递给运动控制卡。运动控制 广东工业大学工学硕十学位论文 命令和参数 控制信号 图2 - 2 基于p c 机和运动控制卡的运动控制器结构 f i g 2 - 2s l r u c t u r eo f m o t c fc o n t r o l l e rb a s e do np ca n dm o t i o nc o n t r o lc a r d 卡是以功能卡的形式插在p c 机上的i 0 槽中。负责根据用户所给定的控制参数， 生成具体的控制信号。由于控制卡是以专用运动控制芯片为基础的，其结构对运 动控制任务进行了优化，因此其性能比单纯应用p c 机生成控制信号要好得多。 而且，由于控制信号由专用芯片产生，与p c 机中c p u 处理能力无关，与第一类 结构相比，降低了对p c 机性能的要求。从而增加了系统的性能价格比。 按照第一章所介绍的运动模式分类方法，这一类运动控制器实际上是对通用 计算和专用计算综合运用的结果。这种混合计算模式在满足系统需求的同时，降 低了整个系统的成本，具有很高的信价比，因此得到了广泛的应用，目丽许多运 动控制系统都是采用这种结构1 1 3 1 1 “l 。而且许多对运动控制算法的研究都是在这 种结构平台上进行的。 尽管如此，这种结构还是仍然存在一些缺点。首先，基于这种结构的运动控 制器体积偏大，从而影响了他们的应用范围。其次，每个运动控制器都需要配备 一台p c 机，其代价仍然比较高。要解决这个问题，必须采用第三种基于嵌 入式计算的运动控制器结构。 2 4 基于嵌入式计算的运动控制器结构 基于嵌入式计算是一种比较新颖的运动控制器结构。它使用了一个嵌入式计 算机系统来代替p c 机，嵌入式计算机的定义为：以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要 求的专用计算机系统【l ，i 。 基于嵌入式计算的运动控制器结构如图2 3 所示。由于取消了p c 机，因此 体积相当小，可以将其与电动机做成一个整体，这意味着用户看到的将是一个智 能化电机，能够识别非常抽象的命令，例如，启动、停止、加速等。而传统的电 机只能接受电压、频率、相位等各种模拟信号。基于嵌入式结构的运动控制系统 8 第2 章运动拧制器结构分析 图2 - 3 基丁嵌入式计算的运动控制器结构 f 嘻2 3s t r u c t u r eo f m o t o rc o n t r o l l e rb a s e do i le m b e d d e dc a l c u l a t i o n 将不再受体积等因素的限制，控制器在电机的内部，电机能够存放的地方，就能 够进行运动控制。 综上所述，基于嵌入式的计算结构必将得到更广泛的应用。 2 5 一种片上可重构的网络化运动控制器结构 2 5 1 引言 目i i 大多数运动控制器结构都缺乏对网络通信的支持，并且由于需要p c 机 的支持，因此在成本和体积都存在不足。另外当前运动控制器所采用的硬件实现 技术也使升级工作比较困难。本节将针对这些问题，结合最新出现的系统芯片技 术、硬件可重构技术和嵌入式i n t e r n e t 技术，对运动控制器的结构进行研究。 2 5 2 融合三种新技术的运动控制器结构 前面几节指出了现有的运动控制器结构在体积、网络通信、硬件升级方面存 在的不足。然而随着技术的进步，特别是系统芯片技术、硬件可重构技术和嵌入 式i n t e r n e t 技术的出现，这些问题都能得到很好的解决。 系统芯片技术允许在单个芯片上实现原来需要整个系统才能实现的功能，具 有体积小、功耗低的优点。利用系统芯片技术，可以将运动控制器做到单个集成 电路芯片大小，能直接嵌入到它所控制的电机中去，从而形成一个基于嵌入式计 算结构的运动控制器。这种结构实现了电机的智能化。对传统电机的控制只能通 过改变电压、频率和相位等物理量。而基于嵌入式计算结构的运动控制器与电机 9 广东工业大学_ t 学预+ 学位论文 形成一个整体，使得电机能识别一些抽象的以二进制信号表达的命令。 采用硬件可重构技术，把需要分级的模块从系统中分离出来，设计为硬件可 重构的形式，可以很好的解决硬件升级过程中资源浪费的问题。在运动控制器中 最关键的部分就是电机控制模块，而这一部分也是经常需要进行改进和升级的。 当采用硬件可重构技术实现这一模块以后，每次进行算法改进和硬件升级时，只 需对它重构，用新的模块替换旧的模块，即可完成升级操作，而系统其他部分并 不需要做任何的修改。 运动控制器网络通信的问题可以采用嵌入式i n t e r n e t 技术来解决。嵌入式i n t e r n e t 技术是嵌入式计算机系统与i n t e r n e t 技术相结合的产物。其实施方案分 为两大类，一类是直接在电子设备上实现t c p i p ，使之直接连上i n t e r n e t ：另一 类是使电子设各经过通信转换后通过公共的t c p i p 转接口( 或称g a t e w a y ) 与i n t e r n e t 相连。在基于p c 机和运动控制卡的结构中，因为其自身本来就有一台p c 机可以做为i n t e r n e t 网关，可以采用基于网关的嵌入式i n t e r n e t 解决方案。而基 于嵌入式计算结构中取消了p c 机，必须采用直接上网的嵌入式i n t e r n e t 解决方 案。目前在i n t e r n e t 上使用的t c p i p 协议是专门为p c 机和工作站丌发的，功能和 性能好。而在嵌入式系统中由于资源有限，主要考虑的是如何减少资源的占用， 因此对t c p i p 协议进行精简是一个重要问题。 2 5 3 新运动控制器结构的顶层模块划分 远程控制和硬件可重构是新的结构所必备的功能。具体的说，在设计的过程 中必须考虑以下几个问题。 1 对系统功能进行模块划分，模块之间相对独立，从而做到结构清晰，并 且易于采用硬件可重构技术更新模块。 2 能够借助t c p i p 和h t t p 协议，实现远程运动控制。 3 必须保证控制信号的质量，并考虑功能的可扩展性，以便将来采用更好 的控制算法，适用不同的应用背景。 基于以上原则，本文将运动控制器划分为网络通信模块和电机控制模块两个 主要部分，前者负责数据通信，从网络上接受控制命令，并将相关结果通过网络 返回给用户。而后者将负责根据用户给定的参数，产生电机控制信号，完成相应 1 0 第2 章运动挣制器结构分析 的控制任务。图2 4 表示了运动控制器顶层内部结构。 警 命令 i 一陪 - n 瞬络通信运动控制k 电机 n 1模块模块卜 执行结果 网络运行控制器 图2 - 4 运动控制器的项层内部结构 f i g , 2 - 4t o pl e v e ls t r u c t u r eo f m o t o rc o n t r o l l e r 在图中，网络通信模块直接与i n t e r n e t 连接，并按照预定的通信协议从控 制台那罩取得控制命令，然后将命令交给运动控制模块。运动控制模块则直接与 电机相连，它在对命令进行相应的分析和判断之后，产生相应的电机控制信号， 传送给电机。另外，命令的执行结果也会返回给网络通信模块，由它再通过网络 返回给控制台。 2 6 小结 本章介绍了现有运动控制器常用的三种体系结构，重点分析了应用最为广泛 的基于p c 机和运动控制卡的结构，指出了它在体积、硬件升级和性能可伸缩方 面的不足。随后基于嵌入式计算的运动控制器结构进行了分析，指出它将是一种 很有前途的结构。并针对现有运动控制器存在的一些问题，提出了一种新的网络 化运动控制器结构，并进行了模块划分。 第3 章硬件平台的配置和设计 3 1 片上系统( s o c ) 介绍 目前，随着多媒体、网络化、移动化的发展，过去利用印刷板技术和i c 芯片 来实现的系统，由于芯片之间延迟过长、电压较高，体积较大等因素，使其无法 满足市场对整机系统越来越高的性能要求。萨是在市场需求和集成电路技术发展 的双重作用下，出现了将整个电子系统集成到单个芯片上的技术，即“片上系统” ( s y s t e mo nc h i p 简称s o c ) 1 1 6 1 。所n s o c 技术，是一种高度集成化、固件化的 系统集成技术。使用s o c 技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全 部集成在一个芯片中，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外。其他所有 的系统电路全部集成在一起。s o c 是以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并 追求产品系统最大包容的集成器件。是目前嵌入式应用领域的热门话题。 在传统的应用电子系统设计中。需要根据设计要求的功能模块对整个系统进 行综合，即根据设计要求的功能，寻找相应的集成电路，再根据设计要求的技术 指标设计所选电路的连接形式和参数。这种设计的结果是一个以功能集成电路为 基础，器件分布式的应用电子系统结构。设计结果能否满足设计要求不仅取决于 电路芯片的技术参数，而且与整个系统p c b 板图的电磁兼容特性有关。同时，还必 须考虑分布式系统对电路固件特性的影响。对于s o c 来说，应用电子系统的设计也 是根据功能和参数要求设计系统，但与传统方法有着本质的差别。s o c 不是以功能 电路为基础的分布式系统综合技术。而是以功能i p 为基础的系统固件和电路综合 技术。首先，功能的实现不再针对功能电路进行综合，而是针对系统整体固件的 实现进行电路综合，也就是利用i p 技术对系统整体进行电路综合。其次，电路设 计的最终结果与i p 功能模块和固件特性有关，而与p c b 板上电路分块的方式和连线 技术基本无关。因此，所设计的结果十分接近理想设计目标。 在使用s o c 技术设计的应用电子系统中，可以十分方便地实现嵌入式结构。各 种嵌入式结构的实现十分简单，只要根据系统需要选择相应的内核，再根据设计 董：耋堡竺兰窒竺堡兰竺兰生 要求选择与之相配合的i p 模块，就可以完成整个系统硬件结构。s 0 c 的这种嵌入式 结构可以大大地缩短应用系统设计开发周期。 3 2 $ o p c 系统介绍 3 2 1s o p c 系统概述 传统上，为了设计嵌入式系统，设计人员需要选择三类不同的硬件器件 处理器、逻辑器件和存储器。今天，结合所有这些器件可以创造出单个s o c 解决方 案，从而提高了速度、缩小了尺寸，更重要的是降低了总体系统成本。丌发新的s 0 c 器件需要许多关键因素，包括新的开发工具、领先的制造技术和半导体i p 核。 考虑到技术发展，基于a s i c 的s o c 行业仍面临许多挑战，因此阻碍了其发展。采用 c p l d 可使s o c 设计具有显著的灵活性，但由于处理器内核通常是硬核，所以其伸缩 性极小。目前，a r m 、a r cc o r e s 等一些公司推出的各种可配置处理器内核( 软核) 正在改变着s o c 的设计。a 1 t e r a 和x i l i n x 公司将自己生产的可配置c p l d 、f p g a 与 可配置处理器内核结合在一起，推出了片上可编程系统s o p c ( s y s t e mo f fp r o g r a m m a b l ec h i p ) 解决方案。 s o p c 结合了s o c 和c p l d 、f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征： 1 ) 至少包含一个嵌入式处理器内核； 2 ) 具有小容量片内高速r a m 资源： 3 ) 丰富的i pc o r e 资源可供选择： 4 ) 足够的片上可编程逻辑资源； j ) 处理器调试接口和f p g a 编程接口； 6 ) 可能包含部分可编程模拟电路： 7 ) 单芯片、低功耗，微封装。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时 多任务操作系统( r t o s ) 为中t l , 的软件设计技术、p a p c a 和信号完整性分析为基础 的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技 术。 由于f p g a 具有可编程性，因此可用硬件描述语言实现给定的逻辑功能描述， v h d l 就是硬件描述语言中比较常用的一种。v h d l 采用3 个层次的硬件描述和自上至 广东t 业大学t 学硕十学位论文 下( t o pd o w n ) 的设计风格，能实现3 个层次描述的分别仿真和混合仿真。其第l 层 为行为描述级，主要是功能描述，这层的描述可以非常抽象，可以不必考虑硬件 电路构成；第2 层是r t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 描述级，主要是逻辑表达式 的描述，这层的描述要考虑硬件电路的构成，如多路选择器、触发器的选择等； 第3 层是门级描述级，即是用门电路进行描述的，这层的描述已涉及到基本的与门、 或门等。在仿真验证功能正确以后，可以用专用工具生成f p g a 的编程代码，然后 进行f p g a 的编程，就可以实现要求的硬件电路了。v e r i l o g h d l 也是一种应用广泛 的硬件描述语言，系统级描述抽象能力比v h d l 要差一些，门级丌关电路描述方面 比v h d l 强，适合r t l 级和门电路绒的描述。设计者需要了解电路细节，所以工作较 多。 3 2 2s o p o 中的处理器 a l t e r a 的x i o s 是2 0 0 0 年推出的业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理 器。它主要是利用h l t e r a 公司最新的n i o s 软核处理器技术，通过将包括1 6 或3 2 位 高性能处理器在内的多种应用模块嵌入到一个通用的f p g a c p l d 内，实现了一个完 全可重置的嵌入式系统。该嵌入处理器是由以r i s c 为基础的可配置、可伸缩的软 核处理器，结合丰富的外设、专用指令和硬件加速单元创建的专用片上可编程系 统。处理器具有1 6 位指令集和用户可选的1 6 或3 2 位数据通道，可配置为很广泛的 应用，目前已经向客户交付了1 0 ，0 0 0 多个n i o s 处理器硬件开发包，拥有丰富的i p 核资源。n i o s 采用哈佛结构，多级流水线处理，支持1 6 级中断和自定义指令，程 序和数据存储在片内r 删中。 n i o s 软核处理器主要特性包括： 1 ) 完整的s o p c 解决方案； 2 ) 高效、灵活的处理器模块，可以通过软件配置成1 6 位或3 2 位的中央处理单 元( r i s c 结构) ，并可选择不同的内部存储器大小，其最高执行速度可以达到 5 0 m h z ； 3 ) 具有多种其他功能模块的选择。包括：s d r a m 控制器、u a r t 控制器、p c i 接1 3 模块、l e d 接口模块、m a c 接口模块等多种功能模块； 4 ) 具有完整的、廉价的、便捷的开发系统所有开发( 包括设计、调试) 均 “ 第3 章硬件平台的配置和设计 通过软件进行，不再需要专门的硬件仿真器和编程器，大大减少了开发设备的成 本； 5 ) 基于u c o s i i 的操作系统支持，完善了使用n i o s 的s o p c 解决方案。 3 2 3s o p c 中的可编程资源 可编程器件厂商a l t e r a 的低成本f p g a 继a c e x 之后，推出了c y c l o n e ( 飓风) 系 列。c y c l o n ef p g a 是基于s t r a t i x 的工艺构架，其定位在大量且对成本敏感的设计 中，如消费类电子、计算机、工业和汽车领域。 h l t e r a 公司新一代c y c l o n ef p g a 采用0 1 3 微米的工艺制造，其内部有锁相 环、r a m 块，逻辑容量从2 9 1 0 2 0 0 6 0 个l e 。本系统采用c y c l o n e 系列e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 ， c y c l o n e 系列f p g a 资源情况如表3 1 所示【l ”。 表3 1c y c l o n e 片内资源 t a b l e3 1r e s o u r c eo f t h ec y c l o n ef p g a 内部资源 e p l c 3e p l c 4e p l c 6e p l c l 2e p l c 2 0 逻辑单元 2 ，9 1 04 ，0 0 05 ，9 8 01 2 ，0 6 02 0 ，0 6 0 m 4 kr a m 模块 1 3 1 7 2 05 2 6 4 总r a m 位5 9 ，9 0 47 8 ，3 3 69 2 ，1 6 02 3 9 ，6 1 62 9 4 ，9 1 2 锁相环 12222 用户最多 1 0 43 0 11 8 52 4 9 3 0 l 可用引脚 3 3 硬件平台、设计工具与开发环境 3 3 1 开发系统组成和开发工具介绍 基于s o p c 可重构系统芯片由硬件开发板和开发软件两个部分组成。硬件开发 板如图3 1 所示。 广东1 ：业大学i ：学硕+ 学位论文 - i l i l _ ii i _ _ l - _ - - i l - _ - _ - _ e j _ i _ e l l l _ 目目e _ - _ i 目_ _ l - 目l l _ _ e j l _ - l j l _ l 图3 i 硬件开发板的外观圈 f i g 3 - io u t s i d ev i e wo f h a r d w a r ed e v e l o p m e n tb o a r d 硬件开发板包括f r e e d e v 2 1n i o si i 开发板和i o m m 络开发板，其e p f p g a 芯片 采用a l t e r a 公司的c y c l o n e 处理器e p l c l 2 q 2 4 0 ，具有1 2 ，0 6 0 个逻辑单元，用户可用 的i o 引脚为2 4 9 。网络控制采用r t l 8 0 1 9 a s 芯片。另& f f l a s h 存储芯片容量为8 怕， 高速动态存储器( s d r a m ) 容量为8 m b 。 s o p c 开发系统的工具软件主要包括：q u a r t u si i 、s o p cb u i i d e r 、n i o si ii d e 集成丌发环境。q u a r t u si i 软件是一个针对a l t e r a 公u - f p g a 芯片的综合软硬件歼 1 6 第3 章硬件平台的配置和设计 发工具。一方面，它支持多种硬件设计方式，能够对所设计的硬件进行仿真、综 合，并最终生成指定的f p g a 芯片类型