基于ARM+FPGA的運(yùn)動控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉鵬 劉榮 任開春

（重慶通信學(xué)院）

1 引言

工業(yè)CT機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)往往需要對多個軸的運(yùn)動進(jìn)行精確、實(shí)時控制，在以往的系統(tǒng)中多采用工控機(jī)+多塊板卡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動控制器的設(shè)計。隨著工業(yè)CT機(jī)整體功能日趨復(fù)雜，整體系統(tǒng)對運(yùn)動控制系統(tǒng)的體積、成本、功耗等方面的要求越來越苛刻。另一方面，運(yùn)動控制系統(tǒng)控制的軸數(shù)越來越多、控制精度要求越來越高、控制對象的實(shí)時性要求越來越強(qiáng)?，F(xiàn)有的工控機(jī)+多塊板卡組成的控制系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)出運(yùn)動控制方面的劣勢。ARM+FPGA的硬件方案，將工控機(jī)從現(xiàn)有的運(yùn)動控制系統(tǒng)中解放出來，取而代之的是體積小、功耗低、功能強(qiáng)的ARM處理器。強(qiáng)大的嵌入式Linux操作系統(tǒng)保證ARM處理器的功能可以發(fā)揮到最佳。

2 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計，與目前應(yīng)用中常見的 IPC（Industrial Personal Computer）+板卡的運(yùn)動控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[1,2]：

(1) 采用FPGA完成運(yùn)動控制細(xì)節(jié)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)硬件軟化的設(shè)計思想。即具有軟件可編程、可重構(gòu)的特性，又有硬件高性能、高可靠、高一致性的優(yōu)點(diǎn)。

(2) 采用嵌入式應(yīng)用方案與現(xiàn)有 IPC+板卡結(jié)構(gòu)相比無論從體積、成本、還是性能方面相比都具有較大的優(yōu)越性。

(3) FPGA具有高速并行的執(zhí)行能力，系統(tǒng)的實(shí)時性能得到較大的提高。

(4) 將 ARM 中操作底層硬件的驅(qū)動程序進(jìn)行打包，方便應(yīng)用程序調(diào)用，可以較快完成用戶的二次開發(fā)。

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

工業(yè)CT運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以Atmel公司一款A(yù)RM9核處理器AT91RM9200[1]和Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C6Q240C8[2]為核心。ARM9作為主控芯片負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制，通過AHB[3]總線協(xié)調(diào)與FPGA之間的數(shù)據(jù)交換，并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工業(yè)控制計算機(jī)進(jìn)行圖像的處理與重建。FPGA則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)，并把其轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)存入 FPGA的RAM 中，同時對 ARM 發(fā)出中斷請求響應(yīng)，通知ARM9讀取。AT91RM9200、SDRAM、FLASH以及電源等基本外圍電路構(gòu)成嵌入式Linux運(yùn)行的最小系統(tǒng)，而FPGA最小系統(tǒng)則由EPlC6Q240C8、時鐘電路、配置接口等組成。然后兩者通過高速AHB總線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2.2 ARM與FPGA接口設(shè)計

在系統(tǒng)中ARM作為通用處理器，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的觸發(fā)、系統(tǒng)命令的發(fā)送和任務(wù)的調(diào)度等功能。FPGA作為ARM的外設(shè)，用來對ARM經(jīng)地址數(shù)據(jù)總線傳送過來的命令進(jìn)行解析，并最終按照ARM命令的要求，完成脈沖發(fā)送和脈沖計數(shù)的功能及具體的運(yùn)動控制細(xì)節(jié)任務(wù)。

兩塊FPGA通過各自的地址/數(shù)據(jù)總線與ARM的地址/數(shù)據(jù)總線連接起來，雙方可以進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交換。

圖1 工業(yè)CT運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ARM與FPGA通過地址選通信號線連接起來，兩塊FPGA各自作為ARM的外設(shè)芯片，運(yùn)行在獨(dú)立的地址空間，地址選通信號結(jié)合地址總線實(shí)現(xiàn) ARM對 FPGA內(nèi)部寄存器的尋址。

3 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件總體采用分層思想進(jìn)行設(shè)計。整個系統(tǒng)軟件主要由宿主機(jī)操作系統(tǒng)、宿主機(jī)開發(fā)軟件、目標(biāo)板操作系統(tǒng)、目標(biāo)板底層硬件驅(qū)動程序、目標(biāo)板應(yīng)用程序、HDL硬件描述語言組成。宿主機(jī)操作系統(tǒng)選擇REDHAT-LINUX9.0版本；宿主機(jī)開發(fā)軟件主要由一些交叉編譯環(huán)境、匯編和鏈接工具組成；目標(biāo)板操作系統(tǒng)選用ARM-LINUX操作系統(tǒng)；目標(biāo)板應(yīng)用程序使用C代碼進(jìn)行編寫；HDL語言用于對FPGA的功能進(jìn)行描述。

軟件系統(tǒng)分層示意圖如圖2所示。在宿主機(jī)中，交叉編譯將要在目標(biāo)板平臺上運(yùn)行的應(yīng)用程序代碼和底層硬件驅(qū)動程序代碼展開，然后通過宿主機(jī)與目標(biāo)板之間的硬件接口傳遞到目標(biāo)板中，目標(biāo)板通過底層硬件驅(qū)動程序控制 FPGA模塊中配置的各功能寄存器，從而完成具體的控制任務(wù)。本文重點(diǎn)介紹FPGA內(nèi)部功能模塊的設(shè)計及驅(qū)動程序接口設(shè)計。

3.1 FPGA內(nèi)部關(guān)鍵功能模塊設(shè)計

FPGA不擅長對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理[4]，但本系統(tǒng)對每個軸的控制都要進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，因此在每個軸的控制模塊設(shè)計中盡量不涉及復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)，算法部分留給ARM進(jìn)行處理。原則上FPGA僅僅接收經(jīng)ARM進(jìn)行處理過的數(shù)據(jù)，而后按照ARM主控單元的處理結(jié)果進(jìn)行處理。

圖2 軟件系統(tǒng)分層示意圖

單軸控制模塊框圖如圖3所示。在每個位置管理單元中都配置了兩個計數(shù)器：邏輯位置計數(shù)器和實(shí)際位置計數(shù)器。其中邏輯位置計數(shù)器的輸入端接到脈沖發(fā)生器的輸出端，其功能是計量從脈沖發(fā)生器實(shí)際發(fā)出的脈沖數(shù)量。實(shí)位計數(shù)器的輸入端接到編碼器的輸出端，其功能是計量從編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)。邏輯位置寄存器和實(shí)際位置寄存器實(shí)際上構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，前者為閉環(huán)系統(tǒng)的輸入，后者為閉環(huán)系統(tǒng)的輸出。當(dāng)兩者的誤差范圍不超過某一個限度時，在FPGA中對實(shí)時的脈沖發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)兩者的誤差超過某一個設(shè)定的范圍時，F(xiàn)PGA向ARM發(fā)送一個中斷請求。當(dāng)某個軸接收到減速信號SD或者極限到位信號EL時，在FPGA內(nèi)部經(jīng)過同樣一個中斷發(fā)生器模塊向ARM發(fā)送一個中斷。ARM接收到中斷信號后，開啟運(yùn)動控制進(jìn)程，對PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，計算控制量。

圖3 單軸控制模塊設(shè)計

3.2 驅(qū)動程序接口設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中，兩片F(xiàn)PGA作為ARM的外設(shè)，掛在ARM的外設(shè)地址空間。當(dāng)ARM要訪問FPGA時，首先要在ARM中運(yùn)行包含F(xiàn)PGA所在地址空間地址的指令，而后ARM的片選線選中FPGA，F(xiàn)PGA檢測到自己被選中，從而開始檢測地址總線上傳來的ARM指令所包含的地址數(shù)據(jù)。根據(jù)從ARM地址線傳來的地址總線上的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA讀取從ARM數(shù)據(jù)總線上傳來的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，而后開始進(jìn)行相應(yīng)的動作，從而完成一次控制任務(wù)。寄存器是本運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本組成部分之一，ARM對FPGA的控制就是通過配置在FPGA內(nèi)部的寄存器來實(shí)現(xiàn)的[5]。完成配置的FPGA整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 控制算法設(shè)計與仿真

4.1 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器設(shè)計

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器

圖5中，神經(jīng)元的3個狀態(tài)變量分別為：

單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是根據(jù)有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的[6]。

控制器的輸出為：

其中：

式(5)中，w'i為加權(quán)系數(shù)，可在線修正。加權(quán)值的在線學(xué)習(xí)則采用規(guī)范化的學(xué)習(xí)算法，公式為式（6）：

4.2 算法仿真

仿真系統(tǒng)的參數(shù)：比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率分別為ηP=0.40，ηI=0.35，ηD=0.40，系統(tǒng)初始誤差量值設(shè)置為1，仿真曲線如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng) PID控制參數(shù)隨系統(tǒng)的運(yùn)行在線整定，經(jīng)整定的PID參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的誤差最終趨于0。

圖6 單神經(jīng)元PID控制誤差曲線

5 運(yùn)行結(jié)果

5.1 系統(tǒng)位移調(diào)試結(jié)果

為了測試運(yùn)動控制系統(tǒng)的位置控制效果，在電機(jī)空載時進(jìn)行了100次試驗(yàn)，圖7所示為在實(shí)驗(yàn)室中測定的電機(jī)空載時的位移測試結(jié)果曲線圖，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是取100次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。圖7為各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合圖。從圖中可以看出，電機(jī)空載時脈沖發(fā)生器和脈沖計數(shù)器的誤差曲線經(jīng)歷了一個積累的過程，當(dāng)誤差超過設(shè)定值0.18%時單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器開始在線整定PID控制參數(shù)，整定結(jié)果使系統(tǒng)的誤差趨于0。

圖7 系統(tǒng)位移調(diào)試結(jié)果

5.2 系統(tǒng)速度調(diào)試結(jié)果

為了測量系統(tǒng)的速度響應(yīng)結(jié)果，系統(tǒng)使用 M/T法[7]對速度數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，M/T法的計算公式如式（8）所示：

式（8）中f為基準(zhǔn)時鐘頻率；P為光電編碼器每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個數(shù)；M1和M2分別是在相同的時間內(nèi)對編碼器脈沖和基準(zhǔn)時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)值。

在電機(jī)空載時進(jìn)行了100次試驗(yàn)，圖8所示為在實(shí)驗(yàn)室中測定的電機(jī)空載時的速度測試結(jié)果，各個參數(shù)值均是取100次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。圖8中設(shè)定速度值對應(yīng)程序運(yùn)行時在脈沖發(fā)生器中設(shè)定的分頻系數(shù)，驅(qū)動器顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)設(shè)定速度時對應(yīng)的誤差，使用 M/T測得的轉(zhuǎn)速對應(yīng)讀取速度時對應(yīng)的誤差。

圖8 電機(jī)空載時速度測試結(jié)果

6 結(jié)論

采用嵌入式方案設(shè)計的運(yùn)動控制系統(tǒng)不管在體積、成本還是功能方面，較原有的工控機(jī)+板卡的結(jié)構(gòu)均有較大的優(yōu)勢。該系統(tǒng)突破了原有的工業(yè)CT運(yùn)動控制系統(tǒng)本身固有的一些缺點(diǎn)，采用嵌入式的ARM+FPGA解決方案進(jìn)行設(shè)計，控制系統(tǒng)內(nèi)部采用基于單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制器進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果證明方案的可行性。為今后進(jìn)一步研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于嵌入式系統(tǒng)的多軸智能運(yùn)動控制器做了基礎(chǔ)性的探索工作。

[1]Atmel corporation. AT91RM9200 data sheet, 2006.

[2]Altera Corporation.Cyclone器件數(shù)據(jù)手冊.

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