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1、502006年11月中国制造业信息化第35卷第21期基于FPGA/CPLD数控系统插补智能芯片设计汪木兰,左健民,王中华(南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室,江苏南京210013)摘要:基于数控智能芯片的架构和软件硬化的理念,利用FPGA/CPLD设计插补模块既保留了硬件电路运算速度快(纳秒级)、插补思路清晰的优点,又克服了原有数字逻辑插补电路灵活性差的缺点。选用美国Altera公司的CycloneⅡ系列芯片进行下载配置,实现了脉冲增量式插补中的逐点比较法轮廓插补算法,定义出了芯片
2、的输入/输出接口,通过VHDL语言进行编程仿真,获得了输出脉冲波形,完成了直线和圆弧轮廓4个象限的插补功能。关键词:计算机数控系统;插补算法;FPGA/CPLD;VHDL中图分类号:TG659文献标识码:A文章编号:1672-1616(2006)21-0050-05开放化、高速化和高精度化都是现代计算机数的数值计算和控制精度已经不是主要问题了。与控系统最新的发展趋势和研究热点。目前,我国在此同时,处理速度也得到了较大幅度的提高。但对紧密跟踪国外发展趋势的同时,对开放式数控的体于利用纯软件完成数控
3、系统功能来讲,毕竟执行控系结构和实现方法从多个侧面开展了广泛的研制程序需要一定的时间(微秒级),相对一定运行频[1～3]究,华中科技大学、浙江大学和哈尔滨工业大率的微处理器而言,速度的提高不是无限制的,而[4]学等单位,学者还提出了可重用数控、全软件数具有一定的极限。特别是对于超高速加工场合,随[5][6][7,8]控、可重构数控和数控智能芯片等先进的着数控设备中关键功能部件(直线进给伺服单元、理念,并基于高性能的DSP(DigitalSignalProces2大功率电主轴和磁悬浮轴承等)的技术
4、突破,如果sor,数字信号处理器)、ARM(英国AdvancedRISC继续采用全软件方法来实现数控加工功能,其速度Machine有限公司知识产权)嵌入式微处理器和现和加工效率将无法得到进一步提高。为此,有些研场总线技术构建出了相应的原型样机。究人员或数控系统公司开始引入先进的SoC(Sys2本文基于数控智能芯片的思想,采用FPGAtemonChip,片上系统)理念和ASIC(Application(FieldProgrammableGatesArray,现场可编程逻辑SpecificInteg
5、ratedCircuit,专用集成电路)设计技门阵列)或CPLD(ComplexProgrammableLogic术,也就是针对制约数控系统处理速度提高的瓶颈Device,复杂可编程逻辑器件)电路的二次开发和设计独立的硬件电路来承担相应的数控功能,从而在线编程能力硬化实现计算机数控系统的插补功达到提高数控机床综合加工能力的目的。ASIC芯能模块。虽然国内也有不少学者已经尝试过这种片的处理速度虽然是纳秒级,但设计过程中要求具[9,10]硬化实现技术,但一般仍然是针对数控系统有微电子设计和制造技术作
6、为支撑,而对于一些内部某项功能的局部实现和替换,没有站在整个系中、小型数控企业来讲一般不具备相应的技术能力统的角度,按照一定的标准和规范来设计出标准的和设备条件,并且还要承担比较大的技术风险。数控智能芯片,也就无法做到真正的即插即用。由国外一些著名的数控系统公司(例如于软件硬化模块处理速度相当于ASIC芯片,因此SIEMENS、FANUC等)大多采用ASIC技术路线,可获得很高的处理速度,为我国超高速加工机床的并且核心技术对我国实行封锁。国内现有的数控研制提供了一条有效途径。技术还是基于20世纪
7、80年代的一批援华项目和早期的国家级科技攻关成果,最近20年还主要停1基于智能芯片的数控系统架构留在富有中国特色的经济型或普及型(全功能型)由于32位微处理器技术的发展,数控系统中数控技术水平,虽然产值不断增长,但综合竞争实收稿日期:2006-08-16基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2005111);江苏省高校自然科学研究基金资助项目(05KJB460035)作者简介:汪木兰(1967-),男,湖北崇阳人,南京工程学院副教授,硕士,主要研究方向为数控技术、智能控制、电力传动及自动化装
8、置等。·智能控制技术·汪木兰左健民王中华基于FPGA/CPLD数控系统插补智能芯片设计51力与国外公司相比还存在不小的差距。由于国外提高了处理速度,而且减小了硬件电路的面积,保公司综合实力很强,有的集团内部就具备超大规模证了系统的可靠性。另一方面由于芯片是基于集成电路设计和制造能力,加上数控系统的生产批SRAM工艺制造的,可以对其进行升级,从而实现量比较大,所以适合采用ASIC技术。而国内由于完全的开放和可重构。相关产业以及数控行业综合实力的制约,无法照搬整个开放式数控系统基于智能芯片的概念设国
