摘要：針對(duì)鞋樣切割機(jī)對(duì)插補(bǔ)控制器功能的要求,，設(shè)計(jì)了基于嵌入式的可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的前提下,，對(duì)于比較積分插補(bǔ)算法在可重構(gòu)器件中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,。經(jīng)測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的嵌入式可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠完成對(duì)直線和二次曲線的快速,、精確插補(bǔ),，而且系統(tǒng)易于擴(kuò)展，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的控制算法,。

　　關(guān)鍵詞：AT91SAM9260,；嵌入式系統(tǒng)；EPM1270,；CPLD,；比較積分法

　　中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.002

　　引用格式：魏峰,劉守山.嵌入式可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：5-8.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科開放基金資助項(xiàng)目（JL150508）,；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015GSF118094）在鞋類制造過(guò)程中,，鞋樣的制作是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。隨著市場(chǎng)對(duì)鞋類產(chǎn)品需求的多樣化,，鞋樣設(shè)計(jì)與制作的復(fù)雜性也隨之提高,。其中,，在鞋樣的制作過(guò)程中，具有各種復(fù)雜輪廓鞋樣的最后成形是由鞋樣切割機(jī)完成的,。鞋樣切割機(jī)在對(duì)鞋樣輪廓成形過(guò)程中,，通常要完成對(duì)直線、二次曲線以及自由曲線插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)控制,。而插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的控制則是由鞋樣切割機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)完成的?，F(xiàn)代鞋類制造業(yè)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開放性、低功耗性,、通用性、可重構(gòu)性等方面提出了更高的需求,。構(gòu)建基于嵌入式技術(shù)和可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以為現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備的這種需求提供可行的,、有力的支持，也是現(xiàn)在和將來(lái)制造業(yè)運(yùn)動(dòng)控制體系的發(fā)展方向之一［15］,?；谝陨闲枨螅疚膶?duì)基于ARM9核的嵌入式控制器和可重構(gòu)邏輯器件的嵌入式可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì),，并在此平臺(tái)上對(duì)比較積分插補(bǔ)算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,。

1嵌入式可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用AT91SAM9260作為微控制器（MCU）來(lái)構(gòu)建嵌入式子系統(tǒng),，使用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM1270作為可重構(gòu)器件來(lái)構(gòu)建硬件可重構(gòu)子系統(tǒng),，然后通過(guò)兩者的結(jié)合來(lái)完成嵌入式可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　1.2嵌入式子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　嵌入式子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。

　　電源輸入為+5 V和+12 V的直流電，經(jīng)過(guò)電源模塊可產(chǎn)生5 V,、3.3 V,、1.8 V、12 V數(shù)字電源和3.3 V模擬電源,。外部?jī)?nèi)存設(shè)備使用兩片型號(hào)為MT48LC16M16A2,、大小為16 M×16 bit的SDRAM組成64 MB的外部?jī)?nèi)存空間，用于裸機(jī)程序或操作系統(tǒng)的運(yùn)行,。外部存儲(chǔ)設(shè)備包括一片NOR Flash和一片NAND Flash,。NOR Flash選用大小為4 M×16 bit的SST39VF6401，用作裸機(jī)程序,、操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序的存儲(chǔ)空間,；NAND Flash選用大小為(258 M+8 M)×8 bit的K9F2G08U0B，用于操作系統(tǒng),、根文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的存儲(chǔ)空間,。通信模塊包括串口,、USB接口、以太網(wǎng)口和無(wú)線設(shè)備,。串口用于串口調(diào)試和打印信息,；USB接口用作調(diào)試接口和通信接口；以太網(wǎng)口使用DM9161A作為以太網(wǎng)物理層收發(fā)器,，然后通過(guò)MII標(biāo)準(zhǔn)的接口與MCU相連,；無(wú)線設(shè)備為使用射頻收發(fā)芯片NRF2401設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)設(shè)備，其可以使得遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換更加方便,。人機(jī)交互模塊包括觸摸屏和LCD顯示屏,，該系統(tǒng)采用ADS7843作為電阻式觸摸屏控制器，觸摸屏與LCD顯示屏為同一設(shè)備,，該設(shè)備采用了LR08VRBD型LCD顯示器,；人機(jī)交互模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能為操作系統(tǒng)的可視化操作，向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)下達(dá)命令,，從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中讀取所需要的數(shù)據(jù),。

　　1.3硬件可重構(gòu)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　CPLD芯片與MCU的連接需要地址線、數(shù)據(jù)線和信號(hào)控制線,。對(duì)于信號(hào)控制線,，由于在該系統(tǒng)的MCU中沒有專門用來(lái)控制CPLD或者FPGA的接口，所以控制信號(hào)線需要通過(guò)MCU上的GPIO口來(lái)實(shí)現(xiàn),，而這些控制信號(hào)就是向CPLD中輸入的運(yùn)動(dòng)控制所需的PWM（脈寬調(diào)制信號(hào)）信號(hào),、方向信號(hào)以及需要反饋給嵌入式子系統(tǒng)的光電編碼器采集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的需要,，在CPLD上設(shè)計(jì)了6路光電編碼器接口與步進(jìn)電機(jī)上的光電編碼器相連,，3路PWM輸出接口和6路方向信號(hào)輸出接口用于連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。硬件可重構(gòu)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。

　　CPLD用來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)算法,。嵌入式子系統(tǒng)根據(jù)外部輸入命令計(jì)算出插補(bǔ)算法中所需的參數(shù)（3路PWM信息、6路方向信息）并傳遞給CPLD,，進(jìn)而可以在CPLD中實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)算法,。CPLD再產(chǎn)生用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)（3路PWM信號(hào)、6路方向信號(hào)）,。此外,，為了形成閉環(huán)控制，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了用來(lái)采集位置或速度的光電編碼器的輸入接口,。該光電編碼器的信號(hào)經(jīng)光電隔離后,，再接入到CPLD，然后,，再經(jīng)由CPLD將信號(hào)輸入給MCU,，從而獲得電機(jī)的位置和速度信息,。

　　MCU的地址引腳和數(shù)據(jù)引腳，以及部分讀寫控制引腳,、部分存儲(chǔ)器片選引腳通過(guò)CPLD的I/O引腳引入,。目的是可以將CPLD內(nèi)部的寄存器映射到微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，從而可以實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)CPLD內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器,、狀態(tài)寄存器,、數(shù)據(jù)寄存器）的訪問(wèn)，進(jìn)而可以參與或協(xié)調(diào)CPLD的運(yùn)行,。

2比較積分法在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性,，本文對(duì)比較積分插補(bǔ)算法在該系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。其中,，比較積分法屬脈沖增量插補(bǔ)類的算法,。相比其他算法如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法等,，比較積分法具有插補(bǔ)精度高、運(yùn)算關(guān)系簡(jiǎn)單,、進(jìn)給速度控制方便等優(yōu)點(diǎn)［6］,。由比較積分法的算法特點(diǎn)可知，其運(yùn)算密集度較高,，相對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn),，其硬件實(shí)現(xiàn)更能提高運(yùn)行效率和保證實(shí)時(shí)性。因此,，本文對(duì)比較積分法在可重構(gòu)器件中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究和驗(yàn)證,。

　　2.1比較積分插補(bǔ)算法原理

　　比較積分插補(bǔ)算法的具體實(shí)現(xiàn)方式參見文獻(xiàn)［78］。根據(jù)比較積分插補(bǔ)算法,，制定出程序流程圖,，如圖4所示。其中速度控制子程序的實(shí)現(xiàn)參見文獻(xiàn)［9］,。

　　2.2比較積分插補(bǔ)算法的硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.2.1整體方案

　　本系統(tǒng)中,，對(duì)于比較積分插補(bǔ)算法的硬件實(shí)現(xiàn)首先使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，進(jìn)而在系統(tǒng)的CPLD中實(shí)現(xiàn),。其硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示,。

　　圖5比較積分插補(bǔ)算法的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖圖5中速度與進(jìn)給控制模塊向X軸和Y軸脈沖發(fā)生器輸出對(duì)應(yīng)于加速、恒速,、減速的實(shí)際速度脈沖,。它同時(shí)又向比較器1、比較器2,、A,、B,、F計(jì)算模塊以及X軸、Y軸脈沖發(fā)生器發(fā)出使能信號(hào),，來(lái)控制各個(gè)模塊的使能情況,。A、B,、F計(jì)算模塊通過(guò)各數(shù)據(jù)的初始值與比較積分插補(bǔ)算法的公式來(lái)更新A,、B、F值,，并送入到A,、B、F寄存器中,。比較器1和比較器2從上述寄存器中取得所需數(shù)值,，經(jīng)比較后，通過(guò)選擇性地向X軸脈沖發(fā)生器和Y軸脈沖發(fā)生器發(fā)出使能信號(hào),，以此來(lái)決定X軸脈沖發(fā)生還是Y軸脈沖發(fā)生,，被使能的X軸脈沖發(fā)生器或Y軸脈沖發(fā)生器向二軸電機(jī)發(fā)出脈沖控制信號(hào)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)比較積分法的插補(bǔ),。

　　圖7硬件實(shí)現(xiàn)連接總圖2.2.2速度與進(jìn)給控制模塊硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

　　在本設(shè)計(jì)中,，速度與進(jìn)給控制模塊是整個(gè)插補(bǔ)過(guò)程的調(diào)度者，其既承擔(dān)了電機(jī)運(yùn)行的加減速控制,，又決定著插補(bǔ)進(jìn)程的流程及各模塊間的信號(hào)同步,。圖6為該模塊的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖6速度與進(jìn)給控制模塊結(jié)構(gòu)圖MCU向CPLD發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)（CLK）,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)加工路徑和速度的規(guī)劃,，并將這些參數(shù)分別放入對(duì)應(yīng)的最大速度寄存器、加速步長(zhǎng)參數(shù)寄存器和減速步長(zhǎng)參數(shù)寄存器中,。根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出相應(yīng)的加速步長(zhǎng),、減速步長(zhǎng)和最大速度。圖6中的計(jì)數(shù)器用作可變分頻器,，用以在不同速度時(shí)段以CLK為基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生不同頻率的脈沖控制信號(hào),，發(fā)送給X軸、Y軸脈沖發(fā)生器,，從而達(dá)到分別改變電機(jī)在X軸和Y軸分速度的目的,。上述脈沖控制信號(hào)還被送入比較器與最大速度脈沖頻率進(jìn)行比較來(lái)判斷是否達(dá)到恒速條件，比較結(jié)果再傳入計(jì)數(shù)器中,，用以控制電機(jī)的加減速,。

　　2.3仿真總圖

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，該硬件實(shí)現(xiàn)在Quartus II中完成的連接總圖如圖7所示。

　　其中Velocity_conrol為速度與進(jìn)給控制模塊,。Accumulator為A,、B、F計(jì)算模塊,，它主要完成的工作是通過(guò)圖4中的公式來(lái)進(jìn)行A,、B、F的計(jì)算,。Compare為比較器1和比較器2,，分別完成A與B的比較和F與0的比較。X_Y_Pulse為X軸脈沖發(fā)生器和Y軸脈沖發(fā)生器,，它們用來(lái)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出脈沖控制信號(hào),，該脈沖控制信號(hào)的頻率決定于速度與進(jìn)給控制模塊，該脈沖的使能決定于比較器1與比較器2,，進(jìn)而可以控制電機(jī)的運(yùn)行速度與運(yùn)動(dòng)軌跡,。

3測(cè)試與分析

　　首先在Quartus II中分別完成了直線和拋物線插補(bǔ)算法的模擬，分別得出X軸和Y軸脈沖發(fā)生器對(duì)應(yīng)于直線與拋物線的時(shí)序圖,。其中所取直線為第一象限直線,，起始點(diǎn)為原點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(50,30),。所取的拋物線方程為：Y2=4X,，其起點(diǎn)坐標(biāo)為第一象限中(25,10)，終點(diǎn)坐標(biāo)為第四象限中的(25,，-10)，第一象限中為逆時(shí)針插補(bǔ),，第四象限中為順時(shí)針插補(bǔ),。其時(shí)序圖如圖8和圖9所示。

　　為了驗(yàn)證硬件可重構(gòu)子系統(tǒng)的插補(bǔ)效果,，將上文中進(jìn)行仿真的程序燒錄到CPLD中,，進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。根據(jù)電機(jī)上光電編碼器所采集到的電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡,，在MATLAB中分別繪制出直線運(yùn)動(dòng)軌跡圖與拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡圖,，如圖10和圖11所示。

　　由以上時(shí)序圖和軌跡圖可以看出其對(duì)應(yīng)關(guān)系,。對(duì)于直線插補(bǔ)和拋物線插補(bǔ),，其X軸脈沖發(fā)生器均為持續(xù)發(fā)出脈沖，驅(qū)動(dòng)X軸方向的電機(jī)一直轉(zhuǎn)動(dòng),；其Y軸脈沖發(fā)生圖8直線插補(bǔ)時(shí)序圖

　　器均為間歇發(fā)出脈沖,，從而保證了直線的斜率和拋物線的弧度。而且通過(guò)拋物線時(shí)序圖和軌跡圖的比對(duì)可以看出，加速過(guò)程,，即一開始Y軸脈沖發(fā)生器輸出時(shí)間很長(zhǎng),，但是其運(yùn)動(dòng)的距離卻很短。

　　在圖11中,，拋物線插補(bǔ)曲線存在偏差：本應(yīng)關(guān)于X軸對(duì)稱的上下兩部分不對(duì)稱,，過(guò)象限點(diǎn)不在原點(diǎn)處。這與其前后的X軸和Y軸的脈沖進(jìn)給方向有關(guān),。4結(jié)論

　　本文對(duì)基于嵌入式的硬件可重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),，并在該系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了比較積分插補(bǔ)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)算法與電機(jī)控制,。然而，從電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡圖上可以看出,，插補(bǔ)終點(diǎn)存在著一個(gè)脈沖當(dāng)量的誤差,，而且在拋物線

　　插補(bǔ)過(guò)程中，出現(xiàn)了過(guò)原點(diǎn)和對(duì)稱性的偏差,。上述問(wèn)題需進(jìn)行校正方法的探索,。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 鄭飛,，王時(shí)龍,，簡(jiǎn)易. 可重構(gòu)分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008, 14（4）：637-643.

　?。?］ 周祖德,，龍毅宏，劉泉. 嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),，2007,43（5）：1-7.

　?。?］ PEREIRA C E, CARRO L. Distributed realtime embedded system: recent advances, future trends, and their impact on manufacturing plant control［J］. Annual Reviews in Control, 2007，31(1): 81-92.

　?。?］ 王太勇,，李波，萬(wàn)淑敏,，等. 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)研究［J］. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),，2006, 12（1）：1662-1667.

　　［5］ 董靖川.可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué),，2010.

　?。?］ 任玉田，焦振學(xué),，王宏甫. 機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)［M］. 北京：北京理工大學(xué)出版社,，1996.

　?。?］ 王進(jìn). 比較積分法及其程序設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1995,，8（6）：32-34.

　?。?］ 周慧. 比較積分法插補(bǔ)過(guò)程的研究與仿真［J］. 機(jī)床與液壓，2004（3）：70-71.

　?。?］ 王曉明,，王玲. 電機(jī)的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用［M］. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.