设计开发
基于FPGA的脱机数控系统设计
李士伟
(丹东东方测控技术股份有限公司辽宁丹东118002)
数事投本与质用
摘要：数控技术利用数字控制系统对机械装置的运动以及操作过程进行控制，当今的制造行业业由于成功运用了这项技术，快递的实现了生产过程白动化、信息化,极大的提高了工业生产率,并保证了产品质量与加工精度。本文介绍了一种基于FPGA的既机数控系统的整体设计方案,实现了G 代码解析、暂补运算及电机控制等功能。
关键词:FPGANIOSII数控格补中图分类号：TN873
1引言
文献标识码：A
本文提出一种基于FPGA芯片的脱机数控系统设计方案，采用内建NIOSII系统的方式对系统外设进行控制，而最关键的运动控制部分则利用了FPGA芯片的并行处理能力，解决了脱机数控系统实
时性要求高，系统资源占用的的问题。 2总体方案介绍
该系统采用EP3C25芯片内建的NIOSIⅡI系统作为主控模块，完成外围设备的驱动，G代码解析以及插补运算等功能；USB接口控制模块用于驱动U盘，方便G代码的编辑和存储，按键及LCD模块提供了参数设置、G代码输人、图形演示等功能。整个系统用较少的外
图芯片完成了数控系统的脱机控制功能。 3系统硬件电路设计
3.1系统主控芯片的选择
系统的主控芯片采用Altera公司的第三代CycloneIIIFPGA 芯片EP3C25Q240C8，EP3C25片上集成24624个LE(逻辑单元)，66个 M9K联入式存储器模块，608Kbits的RAM资源，66个联人式18+18乘法器，4个PLL(数字锁相环),148个用户可定义L/O引脚。完全满足脱机数控系统对IO口资源以及系统资源的需求。
3.2USB控制芯片CH375电路
CH375芯片是南京沁恒公司生产的USB总线的通用接口芯片，同时支持USB主机方式(HOST)和USB从机方式(DEVICE
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图1程序仿真的效果图
收移日期：2016-03-02
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文章编号：1007-9416(2016)04-0168-01
SLAVE)。系统的设计使用了CH375芯片的USB主机方式，接上U盘后可以通过数据线从U盘中直接读取已经存储的G代码，由于系统设计所选用的FPGA芯片，外部L/O端口资源比较丰高，因此CH375 芯片与FPGA芯片采用并行接口的通讯方式，保证了数据读取的速度。
3.3串行FLASH存储器电路
系统内部采用串行FLASH存储器M25P64作为系统参数和G代码的存储芯片。M25P64芯片是一款通过高速SPL总线访问的8M字节串行Flash存储器，该芯片写人一页数据所需时闻的典型值是1 4ms，可以进行单块擦除和整块擦除，该芯片有128个扇区，每个扇区分为256页，每页包含256个字节。整个芯片共分为32768页，8388608 个字节。
3.4320X240图形字符点阵型液晶屏接口电路
系统采用320×240分辨率的图形字符点阵型液品屏作为人机界面的显示设备。该液品屏的供电和背光均为5V，内部自带一24V产生电路，并且数据端口兼容3.3V电压。其控制芯片为RA8806，自带中文字库和触模屏驱动。
3.5步进电机驱动电路
系统的步进电机驱动电路选择了THB7128芯片作为核心芯片。 THB7128是一款两相步进电机动芯片。它内部集成了细分、电流调节，CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动42、57型两相、四相混合式步进电机。具有低导通电阻、高前压性能、多种细分可选、自动率流锁定、内置混合式衰减模式、内置输人下拉电阻，内置湿度保护及过
流保护等特点。 4系统软件设计
脱机数控系统的软件设计主要包括系统外围器件的驱动设计和算法设计，其中外围器件的驱动设计包括USB控制芯片CH375电路驱动设计、审行FLASH存储器电路驱动设计、LCD及键盘驱动设计，步进电机驱动设计等。核心算法设计按处理顺序分为G代码解析程序、直线插补程序、圆弧插补程序、圆弧插补自动过象限算法设计、加减速曲线控制算法设计等，核心算法设计首先在计算机通过高级语言进行仿真设计，完成功能验证后直接移植到FPGA的
NIOSI软核中，并在实际硬件中最终验证，如图1所示。 5实验数据及测试结果
测试内容：使用G代码编写一段测试程序，该程序自动画出测试用坐标轴，并在此坐标轴上测试直线插补和圆弧插补。多运行儿递程序，要求能够保证每次画出轨速的一致性。
测试结果：测试发现，多次运行的一致性良好，直线插补和圆弧插补均能流畅完成，步进电机无丢步及过冲现象。
作者简介：李士伟(1981一),男，汉族,辽宁丹东人,颈士学位,现任丹东东方测控技术股份有限公司电子部工程师。主要研究方向工业在线
分析仪器，包括声学技术、超声技术、雷达技术应用等
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