基于Xilinx FPGA的机电系统智能控制器设计及应用

摘要

随着FPGA制造工艺的不断提高,其设计方法也在不断发展,近年来通过在FPGA芯片中集成嵌入式处理器,来进行嵌入式系统设计。基于FPGA的SoC与传统的基于ASIC的SoC相比具有开发周期短、风险小,可根据实际硬件配置改变硬件设计等优点,可以预见基于FPGA的SoC必将成为SoC设计的流行趋势之一。
　　 基于FPGA的机电系统智能控制器是以构建可重构系统为基本思想,基于FPGA实现了具有灵活机电系统控制功能的片上系统,可根据控制要求下载不同的配置文件到FPGA芯片中,完成不同的控制功能。课题重点对基于FPGA的嵌入式SoC设计相关理论及技术进行了研究和探讨。
　　 本文首先对FPGA的配置方式和可重构系统的构建方法进行了系统的研究,根据Gaisler Research公司生产的开发板GR-PCI-XC2V3000的硬件及开发软件配置,选择了通过构建可重构的SoC来实现机电系统智能控制器。
　　 文中接下来对LEON3处理器软核进行了研究,建立了基于GRLIB IP库设计的软硬件设计及调试环境,构建了基本的硬件系统框架,并对在系统中嵌入自定义IP核来实现控制功能的可行性进行了探讨。
　　 之后对基于Xilinx MicroBlaze的SoC设计进行了研究。利用EDK开发套件建立硬件系统的基本框架,根据所需要的控制功能来设计硬件控制模块,并对设计模块的控制功能进行仿真；在得到预期的仿真结果后,对IP核模板文件进行改写将控制模块加入其中,并完成IP核通讯部分的改动,得到具有相应控制功能的IP核。文中设计了两个IP核,一个可以实现数模转换器ADC0809的控制功能,另一个可以完成四相四步或四相八步步进电机的启动、加速、减速、变向和停止功能,将设计的IP核嵌入系统进行软硬件协同验证,可以验证系统的控制功能合乎预期,得到FPGA芯片配置的数据文件,可根据控制应用的要求配置进FPGA芯片中,完成机电系统智能控制器的功能。
　　 最后对基于此方法的系统设计进行总结,提出了系统设计的基本流程。采用基于FPGA的可重构系统设计,可以在逻辑资源有限的芯片上实现更多的功能,有效的解决板上资源不足的情况,而基于嵌入自定义IP核控制模块的设计方法,可以灵活的加入新的控制功能或改动现有的控制功能,在系统应用的灵活性和扩展性上有很大优势。

目录

文摘

英文文摘

英文目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 FPGA

1.2.1 FPGA的基本结构

1.2.2 FPGA的编程

1.2.3 FPGA芯片的选择

1.3 研究背景及课题内容

1.3.1 课题研究背景

1.3.2 课题主要研究内容

1.4 论文的组织结构

第2章 可重构FPGA设计

2.1 FPGA配置方式

2.1.1 边界扫描JTAG配置方式

2.1.2 主动配置模式

2.1.3 被动配置模式

2.2 重构系统设计方法

2.2.1 基于CPLD的可重构系统设计

2.2.2 基于微处理器的可重构系统设计

2.2.3 基于嵌入式SoC的可重构设计

2.3 系统平台

2.4 本章小结

第3章 基于GRLIB IP库的系统设计

3.1 GRLIB IP库

3.2 LEON处理器软核

3.3 开发环境的建立

3.4 基于GRLIB IP库的系统设计

3.4.1 GRLIB IP核的实例化

3.4.2 系统设计方案

3.4.3 系统的仿真、综合和验证

3.4.4 系统设计分析

3.5 本章小结

第4章 基于Xilinx MicroBlaze的机电系统控制器设计

4.1 Xilinx MicroBlaze软核

4.2 IP核的应用

4.2.1 DCM时钟管理模块

4.2.2 RS232串口模块

4.2.3 计时计数器模块

4.2.4 MDM处理器调试模块

4.2.5 Chipscope系列片上调试模块

4.3 实验软件环境

4.4 模数转换控制器设计

4.4.1 ADC0809及其控制器的VHDL设计

4.4.2 数模转换控制器的硬件设计

4.4.3 数模转换控制器软件设计

4.4.4 系统功能验证

4.5 步进电机控制器的设计

4.5.1 步进电机控制器的VHDL设计

4.5.2 步进电机控制器的硬件设计

4.5.3 步进电机控制器的软件设计

4.5.4 步进电机控制器的验证

4.6 机电系统智能控制器的构建

4.7 智能控制器的设计总结

4.8 本章小结

结论与展望

附录

参考文献

致谢

学位论文评况及答辩情况表