基于FPGA的可重构嵌入式运动控制卡设计与实现

引言

　　运动控制系统广泛应用于数控机床、机器人、自动生产线等各类工业装备的控制过程。随着现代制造业走向高速化、柔性化，对于运动控制系统不但要求具备高性能的控制能力，而且需要具备一定的重配置能力，以适应控制对象的变化。

　　本文针对上述需求，提出了一种基于FPGA技术的可重构嵌入式运动控制卡的设计方案。该方案采用ARMCortex-M3控制器和Xilinx Spartan-3A器件为核心，即可实现多个电机轴独立运行，也可以实现多轴联动控制。作为与以往基于软件实现的运动控制系统不同，通过在系统引入FPGA，不但能够辅助CPU实现各种控制功能，减少CPU的运算负担，而且能够在用户现场实现硬件逻辑的重构，实现运动控制系统的灵活配置、升级。

运动控制卡结构

　　图1是本文设计的运动控制卡总体结构示意。该运动控制卡以基于ARMCortex-M3内核的STM32微控制器为CPU，实现用户命令的解释、运动轨迹规划及PLC程序执行等功能。由于运动控制涉及大规模数据处理，因此扩展了512K x 16位(1M字节)的高速SRAM作为扩展内存。运动控制卡与上位机的通讯通过双端口RAM实现，上位机和板上CPU可通过两个独立的操作接口对双端口RAM进行异步读写操作，具有极高的通讯效率。同时，双端口RAM提供了忙信号、信号量、邮箱等通讯机制，保证访问的可靠性。

　　在运动控制卡中，FPGA集成了电机运动轨迹的精插补、参考点位置捕捉、编码器信号解码、I/O扩展、总线接口等自主设计的IP核，实现运动控制所需的各项功能。CPU通过其16位并行总线与FPGA进行通讯，可以随机访问FPGA中各IP核的配置及状态寄存器。FPGA可通过配置芯片在上电时自动配置，也可以通过CPU进行配置。