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南京航空航天大学硕士学位论文基于DSP和FPGA的数控系统研究与开发姓名：魏立军申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：游有鹏20080601南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着数控系统的通用化和小型化，以数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）为核心的数控系统正成为当前数控系统的重要发展方向。
一方面，以DSP作为数控系统的核心处理器，能够发挥其高速运算和编程灵活的特长，便于实现复杂的实时运动控制算法，提高系统的控制性能；另一方面，采用FPGA将大量的逻辑控制功能和外围接口电路集成在其中，可有效减小系统体积，提高数控系统的可靠性和稳定性。
本文在对不同硬件平台数控系统进行比较研究的基础上，设计开发了一款以DSP和FPGA为主控单元的四轴闭环数控系统平台。
首先，在需求分析的基础上规划设计了数控系统硬件方案，对DSP和FPGA 外围电路、数字脉冲输出电路、模拟量输出电路、编码器信号采集电路、通用I/O接口电路等实现方法进行了详细讨论，完成了系统硬件的设计制作。
为提高数控系统的硬件集成度和可靠性，通过对FPGA的编程设计，在FPGA中实现了具有S形加减速的高速平稳运动控制、硬件精插补器、主轴转速控制DAC接口、编码器信号处理电路、手脉信号处理电路、数字I/O信号处理电路和双端口RAM等功能模块，并通过了调试、测试。
最后，基于上述硬件平台，采用模块化程序设计方法和C语言编程完成了数控系统的部分软件设计，包括DSP端的运动控制模块测试程序和人机界面单片机控制软件，并完成系统主要功能的硬软件联调。
关键词：数控系统，FPGA，DSP，加减速控制，人机界面ABSTRACTRecently, with the development of micro-electronics, CNC is developing towards generalization and miniaturization. Now, CNC based on DSP and FPGA are becoming popular, which can combine the strongpoints of both DSP and FPGA. On one hand, as kernel controller of CNC, DSP with its high speed operation and flexible programmable ability is convenient for carrying out complicated real-time algorithm. On the other hand, a lot of control logic and components of peripheral circuit can be integrated within FPGA, which can result in the volume minishment of the system and the enhancement of the system’s reliability and stability.After comparing some different hardware architecture of CNC, a four-axis closed loop CNC based on DSP and FPGA was developed in the thesis.Firstly, the hardware structure of the CNC is given based on the analysis of requirements. The hardware design is discussed in detail, such as the peripheral circuits of the DSP and FPGA, the digital pulse output circuits, the analog output circuits, the encoder input circuits and the interface circuits of general purpose I/O.In order to enhance the integration and the reliability of CNC, by programming to FPGA, many function units are designed and implemented within a FPGA, including S curve acceleration/deceleration control, DDA fine interpolation circuits, DAC interface circuits, encoder signal processing circuits, manual pulse generator signal processing circuits, digital I/O signal processing circuits and dual port RAM. These function units all pass test and debug.Finally, based on mentioned hardware, some of software of CNC, including test programme of DSP and HMI software of MCU, was developed with modularization method and C language. Associated test of hardware and software of CNC was accomplished at last.Key Words: CNC, FPGA, DSP, Acceleration/Deceleration control, HMI图表清单图2.1 系统硬件结构图 (11)图3.1 TPS767D318电路连接图 (14)图3.2 TPS3823上电时序图 (15)图3.3 DSP与外设通信示意图 (16)图3.4 SPX1117-1.5电路图 (16)图3.5锁相环电源设计电路图 (17)图3.6 JTAG及AS联合配置电路图 (18)图3.7 串口通信电路图 (18)图3.8 数字脉冲输出电路原理图 (19)图3.9 差分脉冲指令输出格式图 (19)图3.10 DAC8531串行写操作时序图 (20)图3.11 模拟量输出电路原理图 (20)图3.12 主轴模拟量产生电路原理图 (21)图3.13 编码器接口电路原理图 (22)图3.14 开关量输入接口电路图 (23)图3.15 开关量输出接口电路图 (23)图4.1 前加减速示意图 (25)图4.2 后加减速示意图 (26)图4.3 梯形加减速速度曲线 (27)图4.4 梯形加减速加速度曲线 (27)图4.5 七阶段S曲线加减速过程 (28)图4.6 五阶段S曲线加减速过程 (29)图4.7 四段非完整S曲线加减速过程 (29)图4.8 硬件插补器实现原理图 (31)图5.1 Q UARTUS II软件的工程顶层文件图形用户界面 (34)图5.2 FPGA基本设计流程图 (35)图5.3 精插补时序发生电路原理图 (36)承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
基于FPGA的测控系统设计与实现一、引言随着科技的发展，现代工程领域对于高精度、高速度、高可靠性的测控设备的需求也越来越大。
其中，基于FPGA的测控系统具有极高的灵活性和可扩展性，能够满足不同领域的测控需求。
本文将介绍基于FPGA的测控系统设计与实现，主要包括系统架构、硬件设计、软件编程等方面。
二、系统架构设计基于FPGA的测控系统一般由FPGA芯片、外设模块、存储设备和通信接口等部分组成。
其中，FPGA芯片作为核心部分，负责控制整个系统的运行。
外设模块提供不同功能的接口，如模拟采集、数字转换、时钟输入、GPIO等。
存储设备用于存储测量数据和程序代码。
在系统架构设计时，需要根据实际需求选择适合的外设模块和通信接口，以及合适的存储设备。
此外，还需要考虑不同模块之间的数据传输和控制信号，确定系统的总体布局和数据流图。
三、硬件设计基于FPGA的测控系统的硬件设计主要包括电路原理图设计、PCB设计和硬件调试等部分。
在电路原理图设计时，需要根据系统架构设计绘制不同模块的电路图，并考虑电路参数的选择和优化。
在PCB设计时，需要将电路原理图转化为布局图和线路图，并按照标准的PCB设计流程进行布线、加强电路抗干扰性、防止电磁辐射等操作。
在硬件调试过程中，需要用示波器、万用表等工具对电路进行调试和测试，确保电路稳定运行。
四、软件编程基于FPGA的测控系统的软件编程主要包括FPGA芯片的Verilog/VHDL编程、上位机程序的编写等内容。
在FPGA芯片的Verilog/VHDL编程中，需要根据不同外设模块的接口来编写对应的硬件描述语言代码，如时钟控制、数据输入输出、状态控制等。
在上位机程序编写中，需要使用不同编程语言（如C/C++、Python等）来编写程序，实现与FPGA芯片的通信、测控算法的实现、数据可视化等功能。
五、系统应用与实现基于FPGA的测控系统应用广泛，如测量、控制、自动化、通信等领域。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求来设计相应的测控系统，并进行相关智能算法的设计和调试。
基于 FPGA 的智能控制系统开发与应用随着科技的发展和进步，智能控制系统已经成为现代工业生产的重要组成部分。
其中，基于 FPGA 的智能控制系统备受关注，因为 FPGA 具有高度可编程性、高速处理能力、低功耗等优点，在工业自动化、智能电力、智能交通等领域得到广泛应用。
本文将介绍 FPGA 的基本原理、智能控制系统的开发流程和应用实例，旨在为读者深入了解 FPGA 智能控制系统提供参考和借鉴。
一、 FPGA 的基本原理FPGA（Field Programmable Gate Array，场可编程门阵列）是一种基于硬件描述语言（HDL）设计的数字集成电路（IC）芯片。
FPGA 的实现原理是通过单元块的重新编程，实现不同逻辑功能模块的组合和优化，从而达到高效、低成本、灵活性强的设计要求。
FPGA 的主要构成分为三个部分：输入输出模块、运算逻辑模块和时钟控制模块。
输入输出模块主要负责 FPGA 与外界的通信，包括数据传输、控制信号和电源供应等。
运算逻辑模块则是 FPGA 的核心部分，它包含了可编程的逻辑门电路和存储器单元，负责处理和运算各种数字信号和二进制信息。
时钟控制模块则是管理和同步 FPGA 内部时钟信号的部件，确保各部分协同工作。
二、智能控制系统的开发流程智能控制系统的开发流程主要包括需求分析、方案设计、硬件编程、软件开发、系统测试和产品交付等阶段。
在这些阶段中，硬件编程是 FPGS 的核心环节，对硬件工程师的编程能力和设计思路有较高的要求。
1. 需求分析阶段需求分析阶段是整个智能控制系统开发的重要起点，它包括用户需求、系统规划、数据采集和数据处理等内容。
在这个阶段中，开发团队需要与客户充分沟通，了解用户的需求和期望，明确智能控制系统所要达到的目的和效果。
同时，设计人员需要梳理系统的功能特点和主要技术原理，选取合适的硬件平台和软件工具，对总体方案进行初步思考和设计。
2. 方案设计阶段在需求分析的基础上，团队开始进入方案设计阶段。
物联网技术 ２０１８年 ／ 第６期 ５０0 引 言DSP 在航空、航天、雷达和通信领域有着广泛的应用，是航空、航天计算机和各数据处理系统的重要组成部分之一。
但DSP 在空间环境中对单粒子翻转、单粒子功能中断较敏感。
基于FPGA 的DSP 检测系统可在辐射环境条件下对DSP 器件各功能模块和电参数进行检测。
1 总体设计整套检测系统硬件如图1所示，包括DSP 测试板、安捷伦电源、PC 机以及连接器等。
DSP 测试板作为检测系统的核心部分，主要完成以下功能：（1）与PC 机界面通信；（2）与被测DSP 器件通信；（3）存储、检测、判决被测DSP 的状态。
DSP 测试板分子母板结构具体组成如图2、图3所示。
图1 DSP 测试系统组成测试母板的核心是FPGA ，选用XILINX 公司生产的Virtex-5系列XC5VSX95芯片，主要任务是DSP 接口电路设计、网络芯片通信接口设计、逻辑判断，以及大量数据存储单元。
搭建初步的设计模块，考虑其逻辑资源占用量占器件总资源的70%以下为宜。
V5X95所含的Block RAM 为8 784 kb ，且留有一定测试余量。
用户可定义的I/O 达640个，可配置320对LVDS ，逻辑资源包括14 720个Slices ，能够满足系统设计的要求。
同时XC5VSX95分为－12，－11，－10三个等级，内部时钟最高可达500 MHz ，450 MHz ，400 MHz 。
等级越高性能越好，相应成本也越高。
这里选用－11等级，外部包括A/D ，D/A ，RS 422，W5100，SRAM 等资源，测试母板的供电电源与子板的相互独立。
母板和子板通过高密度高速连接器相连。
电源输入接口图2 DSP 测试板母板组成图安捷伦电源图3 测试平台子板设计图吴 杰（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）摘 要：DSP 在航空、航天、雷达和通信领域有着广泛的应用，但DSP 在空间环境中对单粒子翻转、单粒子功能中断较敏感。
《基于FPGA的测控系统创新设计》教学大纲课程名称：基于FPGA的测控系统创新设计学时：36学时一、课程目标本课程旨在通过理论与实践相结合的方式，培养学生基于FPGA的测控系统创新设计的能力。
通过学习本课程，学生应能掌握FPGA的基本原理和应用，了解测控系统的基本设计思路与方法，并能够独立进行基于FPGA的测控系统的创新设计与实现。
二、教学内容1.FPGA基础知识1.1FPGA的基本概念和发展历程1.2FPGA的结构和工作原理1.3FPGA的编程语言和工具2.FPGA的设计与开发2.1FPGA开发环境的搭建和使用2.2FPGA开发流程和设计方法2.3FPGA的编程语言和编译器3.测控系统基础知识3.1测量技术的基本原理和常用方法3.2控制技术的基本原理和常用方法3.3测控系统的模型和设计思路4.基于FPGA的测控系统设计实例4.1基于FPGA的信号处理系统设计4.2基于FPGA的数据采集与控制系统设计4.3基于FPGA的实时控制系统设计5.创新设计与实践5.1测控系统的创新设计方法和策略5.2基于FPGA的测控系统创新设计案例分析5.3学生团队的创新设计项目实施与报告三、教学方法与评价方式1.教学方法本课程将采用理论教学与实践相结合的方式进行教学。
课堂上将进行知识讲解、案例分析和实例演示，以提升学生对FPGA和测控系统的理解。
同时，学生将组成小组进行创新设计实践，并根据实践结果进行实验报告。
2.评价方式学生将根据实践报告、课堂作业和个人项目报告等方式进行综合评价。
实践报告将考察学生对FPGA和测控系统设计的实际操作能力，课堂作业将考察学生对知识点的理解程度，个人项目报告将考察学生的创新设计能力。
四、参考书目1.张三、李四，《FPGA原理与应用教程》，机械工业出版社，年份2.王五，《测控系统设计与建模》，电子工业出版社，年份3.六七，《基于FPGA的测控系统创新设计案例解析》，清华大学出版社，年份五、备注本课程要求学生具备一定的电子技术、计算机与信号处理等方面的基础知识，建议学生在学习本课程之前先进行预备知识的学习。
2017年第2期 信息通信2017 (总第 170 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No 170)基于D SP与FPG A的数据采集及控制系统的设计宛然，樊超,徐邦道(中航工业西要航■空计算技术研究所，陕西西安710065)摘要:为扩展数据采集及控制系统的采集通道，提高系统灵活性，设计了 一种以DSP与FPG A为核心的数据采集及控制 系统。
以D SP为主处理器，实现核心运算及系统控制，由FP G A完成数据采集控制，大大提高了系统的执行效率。
关键词:DSP;IT G A;数据采集中图分类号:TP274.2 文献标识码:A文章编号:1673-1131(2017)02-0099-02〇引言数据采集与控制系统是数字系统的主要组成单元，随着 其应用范围越来越广，对系统的采样精度、采样速率、控制通 道数和功能全面性的要求也越来越高。
因此，本文提出一种 基于D SP与FP G A的数据采集及控制方法，该方法电路设计 简单、可靠性高，能够进行多通道扩展，提高了系统的灵活性 与实时性。
1总体方案设计系统的整体结构如图1所示，该系统以DSP和FPG A为 控制核心,DSP作为主处理器，负责核心运算、系统控制和数 据存储;FPG A负责系统复位、A D/D A转换、温度读取等功能，实现了与D S P的E M ff总线通信。
图1系统结构框图2硬件设计2.1核心控制器设计本系统控制器的硬件电路采用DSP与FPG A的组合作为 核心控制器，将D S P的高速数据处理能力和FPG A强大的逻 辑处理能力相结合,可互补两者的不足。
DSP芯片选用国防科大的FT-C6713,该DSP处理器最大 主频为300M H z,最大处理能力为2.4GIPS/1.8GFLOPS,平均 功耗小于2W。
在本设计中，D SP外部输入时钟40M H z,经 D SP内部P L L5倍频后,DSP主频为200M H z。
第7章基于FPGA的DSP开发设计FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，在数字信号处理（DSP）领域中具有广泛应用。
基于FPGA的DSP开发设计可以帮助实现高性能、低功耗的数字信号处理系统。
本文将介绍基于FPGA的DSP开发设计的基本原理和应用领域。
基于FPGA的DSP开发设计主要涉及数字信号处理算法的实现和系统的优化。
FPGA可以通过编程来实现各种数字信号处理功能，如滤波、模拟信号采集和生成、音频处理、图像处理等。
相比于传统的DSP芯片，FPGA拥有更高的灵活性和可扩展性，可以根据需要进行编程和重新配置。
基于FPGA的DSP开发设计可以应用于多个领域。
在通信领域，可以利用FPGA实现无线通信系统、数字调制解调器、数字滤波器等功能，提高通信系统的性能和可靠性。
在音频领域，可以利用FPGA实现音频编解码器、音频效果器、音频处理器等功能，提供高质量的音频处理和音乐制作能力。
在图像领域，可以利用FPGA实现图像处理算法、图像传感器接口、视觉系统等功能，提供高速、高分辨率的图像处理能力。
基于FPGA的DSP开发设计需要掌握相关的开发工具和编程语言。
常用的开发工具包括Vivado、Quartus、Xilinx和Altera等，可以用于设计、仿真和调试FPGA的电路。
常用的编程语言包括VHDL（Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）和Verilog，可以用于描述FPGA电路的行为和结构。
此外，还可以使用高级编程语言如C/C++来编写FPGA的控制软件和算法实现。
在进行基于FPGA的DSP开发设计时需要考虑的一些关键因素包括系统性能、功耗和成本。
通过合理的算法设计和系统优化，可以实现高性能和低功耗的数字信号处理系统。
此外，还需要考虑FPGA的资源利用率和频率限制，以充分发挥FPGA的性能和优势。
