专用高速运动控制网络

1、南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文） 题 目 ： 专用高速运动控制网络（从节点运动控制逻辑设计）专 业： 自动化（数控技术）I / 57Graduation Design (Thesis)Special High-speed Motion Control Network(Slave Node Motion Control Logic Design)ByYUAN XinSupervised byAssociate Prof. GE HongyuSchool of AutomationNanjing Institute of TechnologyJune, 20112 / 57原创性声明

2、本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 .尽我所知，除文中特别加 以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历 而使用过的材料 .对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 .作 者 签 名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用

3、影印、缩印、数字化或其它复制 手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下， 学校可以公布论文的部分 或全部内容 .作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果 .除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 .对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 .作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，

4、 允许论文被查阅和借阅 .本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文涉密论文按学校规定处理.作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日2 / 57指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）

5、期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1 、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格3 / 57建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师：（签名） 单位： （盖章） 年月日4 / 57评阅教师评阅书评阅教师评价

6、：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1 、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计

7、）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 不及格签名）日评定成绩：

8、优 良 中 及格（在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：年月教学系意见：系主任：（签名）年月日2 / 57摘要本课题主要是研究基于 VHDL实现从节点逐点比较法轮廓插补，要求执行速度快. 主要的的工作如下：且可与运动控制部分很好地集成，实现高速运动控制 . 本课题采用 QUARTUISI 软件来调试程序，并进行波形仿真1）理解数控轮廓插补的原理及实现方法 .2）通过硬件描述语言 VHDL在 FPGA上实现上述算法 .3）完成直线与圆弧插补的仿真与测试 .关键词：VHDL ，FPGA，逐点比较法， QUARTUS III / 57ABSTRACTThe main topic i

9、s to study slave node based on VHDL-by-point comparison method contour interpolation, called for the implementation speed and motion control section and can be well integrated, high-speed motion control.This topic QUARTUS II software to use the debugger, and waveform simulation. The main work is as

10、follows:1. Understand the principle of nc contour interpolation and realization method.2. Through the hardware description language VHDL FPGA to realize the above algorithms.3. Finish line and arc interpolation of simulation and test. Keywords: VHDL, FPGA, point-by-point comparison, QUARTUS IIII / 5

11、7目录第一章 绪 论 11.1 引言 11.2 运动控制网络的发展 11.3 运动控制网络的研究现状 31.4 本文的结构 7第二章 网络整体结构 82.1 需求分析 82.2 系统整体结构 82.3 网络拓补结构 92.4 本课题采用的拓补结构 112.5 模块功能分析 112.6 主节点模块设计 12第三章 从节点逻辑结构与功能 123.1 从节点芯片的逻辑结构 123.2 读取控制算法 133.3 功能分析 143.4 运动控制芯片开发 14第四章 直线插补算法 VHDL实现 154.1 逐点比较法插补的基本原理 154.2 直线插补过程 164.3 直线插补逻辑状态 184.4 直线插

12、补方向进给 204.5 直线插补 VHDL仿真 204.5 四象限直线插补 21第五章 圆弧插补算法 VHDL实现 225.1 圆弧插补过程 225.2 圆弧插补逻辑状态 245.3 圆弧插补方向进给 255.4 圆弧插补 VHDL仿真 265.5 四象限圆弧插补 27第六章 总结与展望 286.1 工作总结 28III / 576.2 问题讨论 28致 谢 29参考文献 30附录 A: 程序清单 31IV / 57第一章 绪 论1.1 引言网络技术是 15 世纪影响人类生活型态， 甚至改变公司经营决策最重要的一项技 术. 随着信息技术的发展，自动化领域也经历了一场由组合式模拟仪表控制系统、集

13、 中式数字控制系统（ DDC）、集散控制系统（ DCS）、现场总线控制系统（ FCS）到现 在刚刚兴起的工业以太网控制的深层次变革 . 现在，工业自动化领域的现状是， DCS 仍然在许多行业有着广泛的应用； FCS已逐渐被大家认可，并以每年 30%的增长率快 速成长；而工业以太网控制系统则刚刚兴起，正处于试用阶段，并有望解决运动控 制系统对网络实时性和确定性的要求，实现工业网络控制标准的最终统一 .所谓运动控制网络是指建构在控制器与多轴电机驱动器之间，能够实时、同步 地传送运动命令和接收运动状态的网络系统，目前已成为伺服驱动器发展的趋势 . 本 文对目前市场上比较流行的各种串行运动控制网络做了

14、深入探讨，对国内运动控制 网络技术的发展有所帮助 .1.2 运动控制网络的发展由于组合式模拟仪表控制系统和集中式数字控制系统已基本被淘汰，因此本文 主要对 DCS，FCS及工业以太网的发展情况加以叙述 .1）集散控制系统（ DCS）集散控制系统又称为分布式控制系统，它是一种应用 于过程控制的工程化分布式计算机控制系统，它的特点在于可实现硬件积木化、软 件模块化、松耦合多处理机系统、控制系统用组态方法生成、可应用通信网络和可 靠性等，解决了原有计算机集中控制中导致的危险集中和常规模拟仪表控制功能单 一的局限性，克服了计算机集中控制双工系统成本高的问题 .DCS控制系统是计算机、 通信、 CRT显

15、示和控制技术发展的产物 . 它采用危险分散、控制分散、操作和管理集 中的基本设计思想， 多层次、合作自治的结构形式， 适应现代的生产和管理要求 .DCS 在功能与性能上较模拟仪表及集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实 现设备级、车间级的优化控制 . 近年来，为了使 DCS更加适用于工业生产现场，新一 代DCS还进一步做了一些改进，比如系统开放化、超大型化和微型化、通信介质多样 化、 DCS与 PLC相互融合以及软件的不断丰富等等 . 但是，在 DCS系统形成的过程中， 由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统， 不同厂家的设备不能互联在一起，难以实现互换

16、与互操作，要组成更大范围信息共 享的网络系统存在很多困难 .2）现场总线控制系统（ FCS） 现场总线是 20世纪 80年代中期在国际上发展起来1 / 57 的. 它作为过程自动化、制造自动化、智能楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互 联通信网络，沟通了生产现场设备之间及其与更高控制管理网络之间的联系，为 彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件 .现场总线控制系统为网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能由过去的 控制室设备变为智能现场仪表承担 . 由于控制功能的分散化及全数字 化，就有可能组成大型的开放式控制系统， 进而实现从最高决策层到最低设备层的 综合管理和控制 .目前国际上有 40种

17、现场总线，其中最有影响力的有 FF,Profibus,HART,CAN,Lon Works等. 然而，现场总线技术的发展还存在许多问题，最主要的是没有一个统一的 国际标准（目前的现场总线国际标准 IEC61158,包含了 8种不同类型的现场总 线，因此可以说没有标准），并且由于支持各总线的集团间利益冲突等原因，近期 产生统一的现场总线标准是不可能的 . 由于现场总线均有自己的协议，要构成一个控 制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包，这需要较昂贵的代价，且实现 不同总线产品间的互连非常困难 . 这使得FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点 难以体现 . 这时，以太网受到人们的重视 .3

18、）工业以太网在工业控制现场，能否将在商业领域应用已相当成熟的以太网用 于网络控制系统的底层，完全替代现场总线，目前还处于研究和讨论阶段 . 普通以太 网向下延伸到工业现场，面临一系列的技术难题，如确定性、实时性、安全性、抗 干扰能力，还有现场设备的供电问题、 网线物理性能的提高等 . 总之以太网有其优势， 也有其技术上的缺陷，它的研究方向应在尽可能保留原有协议的基础上，加入实时 性控制措施 . 工业以太网是当前工业控制领域新的研究热点， 尽管它现在还有许多不 成熟的地方，但它巨大的应用前景吸引着众多研究机构和公司进行研究探索. 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时

19、又能在实时性、 材质的选用、产品的强度以及适用性等方面满足工业现场的需要 . 工业以太网并不是 要将所有的工业网络全部改成以太网，而是要将原来工业网络应用层定义的数据信 息，封包在以太网的网络层与传输层内 . 也就是说，工业以太网的重点在于 TCP/UDP/IP，而不在以太网的物理层 . 以太网技术采用 CSMA/C（D载波侦听多路访问 / 碰撞检测）机制，是一种非确定性的通信调度方式 . 网络每个节点要通过竞争来取得 信息的发送权，当网络负荷大时，网络传输不能满足工业控制的实时要求 . 因此，在 本质上以太网并不是一个实时性网络，它只能保证数据可以到达，但不能保证到达 的时间. 另外，以太网

20、应用于工业环境还存在异质平台整合及是否满足工业环境等问 题. 针对以太网应用于工业环境所面临的一些问题， 许多现场总线组织和国际知名公 司采用了多种方法来对以太网进行改进，以使其满足工业现场应用的要求 . 如2 / 57HSE,Ethernet/IP 和Modbus/TCP 采用以太网与 TCP/IP相结合的方法； Power-link 和 Profinet 采用基于时间槽的分时调度方式等 . 这些方法都有效地解决了商用以太网 应用于工业现场所面临的一些技术难题，并已有了一定的市场应用 . 但以太网能否在 将来完全替代现场总线，实现网络控制系统的大统一，目前还难下定论 .1.3 运动控制网络的

21、研究现状随着网络通信技术的日新月异，特别是以太网技术的发展与成功应用，运用串 行通讯的方式来解决传统运动控制架构成为必然趋势 . 然而，串行传输系统的困难在 于没有共同遵守的通讯协议标准，以运动控制系统来说，不论在硬件还是通讯协议 上，目前都没有统一的标准可依 . 市场上比较常见的串行运动控制网络的通信协议见 表 1-1表 1-1 常见的运动控制网络通信协议比较表通信协议SSCNETSERCOS-IEEE-1394SynqNetPowerlinkProfinet传输媒介RS-485Plastic FiberFireWireEthernetEthernetEthernet制造 商Mitsubis

22、hiIndramatSanyoAgile SystemMEIB&RSiemens带宽 /Mbp s5.616800100100100通信 周期 / s800250150-250252001000最大传输 距离/m30404.5100100100传输模式Half-DuplexHalf-DuplexHalf-DuplexHalf-DuplexHalf-DuplexHalf-Duplex最大误差/ s1110时，点 P（xi, yj ）落在直线的上方；当 F 0）时，应该向+x方向发一个脉冲，使机床刀具向 +x 方向 前进一步，以接近该直线；当点 P在直线下方（即 F 0和F =0归于 一类，即 F 0.这样从坐标原点开始，走一步，算一次，判别