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西北工业大学本科毕业设计（论文）开题报告专业：电子科学与技术班级：08011202学号2012301797姓名伊鹏飞指导教师邵树渊报告题目基于DSP和FPGA的工业机器人运动控制器设计题目来源（划√）科研□生产□实验室□专题研究□企业联合□论文类型（划√）工程设计类□实验研究类□软件开发类□其他□报告日期2016年1月20日报告地点：电子信息学院楼406开题报告（不少于1000字）一、选题背景及研究意义运动控制技术是制造自动化的关键基础，其水平高低是衡量一个国家工业现代化的重要标志，而工业机器人运动控制器是工业机器人的核心，其优劣直接影响到工业机器人的精度和性能，所以研究和开发具有开放式结构的运动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方向。国外的运动控制器研究已经比较成熟，多种商品化的开放式运动控制器，并带有成熟的运动轨迹规划算法，同时为了便于进行二次开发，都提供各自的二次开发包。其中比较著名的有美国PMAC、日本安川、瑞典ABB、德国MOVTEC等公司。相比之下，国内工业机器人运动控制器水平还稍显稚嫩，较成熟的有深圳固高、成都乐创公司。截至目前，从事运动控制器研究和开发的单位已超过200家，发展势头强劲。基于此，本文设计了一种基于DSP和FPGA的四轴伺服电机运动控制器，该控制器选用DSP与FPGA作为核心部件。针对运动控制中的一些具体问题，如高速、高精度、实时控制等，规划了DSP的功能扩展,在FPGA上设计了功能相互独立的四轴运动控制电路。该电路实现了四路控制信号输出，四路编码信号的接收和处理，以及原点信号，正负限位信号等数字量的接收和处理。具有结构简单、开放性、模块化等特点，能够较好的满足运动控制器的实时性和精确性。二、研究内容本课题旨在研制一款满足实时性、精确性要求的运动控制器。该运动控制器系统以TI公司C2000系列DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8F256C6为核心，DSP通过网口接收上位机的控制参数，完成系统位置、速度控制及运动轨迹规划;FPGA完成运动控制器的精确插补功能和外围电路的扩展，系统总体框图如图1所示。上位机RTL8019ASDSPFPGA外围模块外围模块图1系统总体框图运动控制器的主要功能包括：4路模拟电压输出，电压范围为-10～+10V，分辨率为16b;4路脉冲量信号输出;4路脉冲方向信号输出;4路驱动复位信号输出;4路驱动使能信号输出;4路差分编码信号输入;4路驱动报警信号输入;8路正负限位信号输入;4路原点信号输入;16路通用数字量I/O。三、研究方案将运动控制器按模块划分为DSP模块和FPGA模块，并细分为各个子模块，对各子模块依次设计，联合组成运动控制系统，使之具有完整功能。1.DSP外围电路模块设计在本课题设计的运动控制器中，DSP的功能是根据从上位机接收的运动模式和运动参数实时计算规划位置和规划速度，生成所需的速度曲线，实时的输出规划位置。DSP外围模块设计如图2所示。DSPTMS320F2812RTL8019ASXINTF区0XINTF区6XINTF区2SCIGPIOA/EVAGPIOB/EVB复位电路TPS3838K33JTAG电源模块TPS767D318FPGAEP2C8F256C6串口MAX3232FLASHSST39VF800RAMCY7C1021图2DSP外围模块由DSP所需完成的功能可知，DSP外围模块内需要划分的子模块为：DSP与上位机的通信模块设计，存储器扩展模块设计，电源模块设计、复位电路设计。2.FPGA外围电路模块在本课题设计的运动控制器中，FPGA用于轴资源的扩展，当接收到DSP中的规划位置后，在轴资源中对其进行变换处理，输出到伺服控制器中，伺服控制器将规划位置与编码反馈的计数位置进行比较，获得跟随误差，并通过伺服控制算法得到实时的控制量，将控制量传递给D/A转换器，由D/A转换器转换成控制电压输出。FPGA的外围模块扩展如图3所示。由图可知，DSP模块设计任务有FPGA与DSP接口设计，模拟信号输出设计，脉冲信号输出设计、编码反馈电路设计、电平转换电路设计、输入输出开关量接口设计、光耦模块设计。四、主要芯片选型1.DSP芯片DSP芯片选用TI公司的TMS320F2812，是一款专门用于电机控制的32位定点DSP芯片，采用高性能静态CMOS技术，主频高达150MHz(指令周期6.67ns)，低功耗，核心电压为1.8V，I/O电压3.3V，支持JTAG边界扫描，128K×16b的片内FLASH。有两个事件管理器(EVA和EVB)，它们都是特定的外围设备，为多轴运动控制器而设计的。可通过外部存储器接口XINTF扩展外部存储器2.PFGA芯片FPGA芯片选用ALTERA公司CycloneⅡ系列芯片EP2C8F256C6，其特点为高性能低功耗，内核供电电压为1.2V，8256个逻辑单元(LEs)，182个用户I/O口(项目中使用了157个I/O口)，165888b的内部RAM，嵌入了18b的乘法器，每个乘法器又可拆成2个9b的乘法器，芯片内部含有2个锁相环(PLL)，8个全局时钟(GlobalClocks)。该芯片所具有的逻辑单元数、频率和用户I/O口等都能很好的满足设计需求。五、预期达到的目标1.完成工业机器人运动控制器硬件系统各模块设计；2.整合各个模块功能，组成完整硬件电路系统；3.系统功能正常，具有实用价值。六、进度安排根据自身知识及能力情况，制定工作安排大致如下，保证整体进度情况下，结合实际情况，再做适当调整:（1）2015.09-2015.11.15：收集、分析整理相关文献资料，熟悉研究背景，了解研究现状；（2）2015.11.16-2015.01.01：系统方案比较论证，确定系统方案，选定芯片型号；（3）2015.01.16-2016.02.16：详读芯片技术手册，深入理解芯片规格、参数及用途；（4）2016.02.16-2016.04.15：对主要功能部分进行模块化设计；（5）2016.04.16-2016.05.15：系统联合调试，完成设计指标；（6）2016.05.16-2016.06：总结设计工作，整理技术资料，撰写毕业论文，准备毕业答辩。七、参考文献[1]孙亭.工业机器人运动控制器的硬件设计与实现[D].南京：南京航空航天大学.2012[2]施文龙.六轴工业机器人控制系统的研究与实现[D].武汉：武汉科技大学.2015[3]王丽.基于ARM_FPGA的经济型工业机器人嵌入式控制器设计[J].电子科技.2013[4]罗伟涛.基于DSP_FPGA的工业机器人运动控制器的研究[D].广州：华南理工大学.2011[5]谈世哲,梅志千,杨汝清.基于DSP的工业机器人控制器的设计与实现[J].上海交通大学学报.2002[6]罗正卫．基于DSP2812的运动控制卡设计和研究[D]．广州：广东工业大学.2010[7]赵成主.DSP原理及应用技术:基于TMS320F2812的仿真与实例设计[M].北京:国防工业出版社.2012[8]朱显新,黄涛,邓启辉,等.DSP+FPGA在高速高精运动控制器中的应用.[D].武汉：武汉理工大学.2007[9]张东亮.DSP控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社.2011[10]刘洋,赵金.基于DSP+CPLD的多轴矢量运动控制器的设计[J].2005[11]孙进平.DSP/FPGA嵌入式实时处理技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出社.2001[12]廖永进.基于DSP的运动控制卡的研究与开发[D].广州:广东工业大学.2006[13]安彦波．工业机器人开放式控制系统的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学.2010指导教师意见：签名：年月日开题评议小组成员：开题评议小组意见：（包括对论文的选题、难度、进度、工作量、论文形式意见）：1.论文选题:□有理论意义；□有实用价值；□有理论意义与实用价值；□意义不大。2.论文的难度:□偏高；□适当；□偏低。3.论文的工作量:□偏大；□适当；□偏小。4.进度:□可行；□不可行；5.学生开题报告中反映出的综合能力和表达能力:□好；□较好；一般；□较差。6.论文形式意见：□可行；□不可行；7.对论文选题报告的总体评价:□好；□较好；□一般；□较差。（在相应的方块内作记号“√”）组长签名：评议结论是否同意论文选题报告：□同意；□需重做（在相应的方块内作记号“√”）评议小组组长签名：年月日学院意见教学副院长：年月日备注：本科生毕业设计论文开题报告要求1.本科生选题报告内容应包括：选题目的与背景、主要研究内容和方案、预期达到的目标。2.本科开题报告由各专业负责安排，公开进行；开题小组人员3人以上。3.学生在规定的时间内，写出选题报告初稿，经指导教师审阅同意后，由各专业安排开题报告时间；开题学生自述5分钟，提问5-10分钟。开题报告未通过者，需重新开题。4.开题报告必须按期完成；如有问题应及时向所在专业或导师提出。5.开题报告统一用A4纸、正反两面打印。