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2007年2月第35卷第2期 机床与液压

MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CS Feb 12007 Vol 135No 12

基于AR M 与FPG A 的嵌入式数控系统设计 田家林, 陈利学, 寇向辉

(西南石油大学研究生院, 四川成都610500

摘要:基于AR M 与FPG A 设计了嵌入式数控系统。其AR M 芯片采用Sam su mg 公司的基于AR M9的S3C2410, FPG A 采用A ltera 公司的Cycl one 系列的EP1C20。介绍了数控系统的硬件设计, 并采用L I N UX 操作系统和N I O S 软处理器, 着重讨论了硬件的接口设计。

关键词:嵌入式系统; 数控系统; AR M; S3C2410; FPG A; Cycl one 中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1001-(2--2

D esi gn of Em beded CNC FPGA

TI A N N (m Chengdu Sichuan 610500, China

Abstract:A based an AR M p r ocess or and field p r ogrammable gate array was br ought f or ward 1The AR M p r ocess or is S3C2410by m sung company and based on AR M9, while the FPG A is EP1C20which bel ongs t o Cycl one and p r oduced by A ltera company 1The hard ware design of C NC syste m was intr oduced which adop ts L I N UX operati on syste m and N I O S s oft p r ocess or, and the hard ware connecti ons were discussed 1

Keywords:E mbeded system; C NC syste m; AR M; S3C2410; FPG A; Cycl one 0 嵌入式数控系统发展现状

随着工业自动化技术和数控技术的飞速发展, 对运动控制的要求也越来越高, 嵌入式数控系统的控制部分已经从分立元件、单元电路向高性能、智能化、集成化模块发展。许多公司已经开始采用数字运动控制芯片生产基于工业控制计算机的控制卡或者独立型的控制卡。运动控制技术已经由传统的数控加工技术, 发展成为具有开放结构、能结合具体应用而快速重组的先进运动控制技术。运动控制器也从以单片机或微处理器作为核心部件发展到了以专用芯片(ASI C 和以DSP 或FPG A 作为核心部件的开放式运动控制器。

本文基于ARM920T 的处理器S3C2410和A ltera 公司的Cycl one 系列的FPG A 器件设计嵌入式数控系统, 给出了控制系统的结构与接口设计。1 基于ARM 与FPG A 的嵌入式数控系统设计111 嵌入式数控系统的硬件选择

系统设计首先要考虑的是硬件选择, 从硬件速度、硬件功能、内存管理、I/O、安全性、可维护性等方面进行选择。目前的经济型数控系统通常采用8位CP U +8/16位CPU, 8/16位CPU +DSP 、8/16位CPU +FPG A 等作为硬件设计方案。这些方案应用较为广泛, 但速度较低功能较弱, 而且系统结构较复杂, 难以达到较高的技术指标。ARM +FPG A 的数控系统由于可以提高技术指标, 它作为一个新的数控领域受到了越来越多的重视。

在本文的ARM +FPG A 方案中, ARM 采用Sam 2sung 公司的基于ARM920T 的S3C2410。比起采用ARM7的系统, S3C2410有MMU (内存管理单元 ,

可以进行L I N UX 操作系统的移植。其主要技术指标如:支持32位ARM 指令集和16位Thumb 指令集; 支持32位的高速AMBA 总线接口; 全性能MMU, 支持W indows CE 、L inux 、Pal m OS 等主流嵌入式操作系统; MPU 支持实时操作系统; 支持数据Cache 和指令Cache, 具有更高的指令和数据处理能力。ARM920T 处理器功能方框图如图1

。

图1 AR M920T 处理器功能方框图

S3C2410处理器提供5级流水线、111M I PS/MHz的哈佛结构, 使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可以使几个操作同时进行, 并使处理和存储器系统连续操作, 能提供111M I PS/MHz的指令执行

速度。流水线使用5个阶段, 因此指令分5个阶段执行:取址→译码→执行→存储→写指令。

FPG A 采用A ltera 公司的Cycl one 系列的EP1C20器件。EP1C20现场可编程门阵列系列基于115V 、

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μm 及全层铜SRAM 工艺, 多达20060个逻辑单元(LE , RAM 增加至288K B,