基于ARM与FPGA的高速多轴嵌入式运动控制器设计流程

一、项目概述

本课题旨在设计一款具备良好扩展性和高速处理能力的嵌入式运动控制器，主要实现基本的伺服控制功能。针对双惯量谐振系统的速度控制，研究了相应的伺服控制算法。通过采用松下A5N驱动器，结合嵌入式架构以及网络通讯模式，提出了一种基于模块化控制核心（ARM+FPGA）的多轴嵌入式运动控制器设计方案。

技术栈关键词

硬件：ARM处理器、FPGA、松下A5N驱动器
通信协议：SPI、RTEX
开发环境：Keil、Vivado
编程语言：C/C++、VHDL

二、系统架构

系统架构设计

本系统采用多CPU分布式架构，STM32处理器作为主控CPU，负责系统管理、人机交互和轨迹规划等高层功能；FPGA作为协处理器，实现网络通讯和底层伺服控制功能。二者通过SPI总线进行通信。同时，运动控制器与驱动器之间通过MNM1221芯片实现RTEX网络通讯。

以下是系统架构图：

组件选择

主控CPU (STM32)：

选择STM32F407系列，具有较高的处理速度和丰富的外设接口。

协处理器 (FPGA)：

选择Xilinx系列FPGA，用于实现复杂的控制逻辑和高速数据处理。

通信协议：

SPI协议用于主控CPU和协处理器之间的快速数据传输，RTEX协议用于控制器与驱动器之间的实时通信。

驱动器：

松下A5N驱动器，具备高性能的伺服控制能力，适合多轴控制系统。

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

硬件环境：

组装控制器底板，安装STM32和FPGA模块，连接MNM1221芯片以及松下A5N驱动器。
确保电源电压稳定，避免因电压不稳造成的系统故障。

软件环境：

STM32开发环境使用Keil或STM32CubeIDE。
FPGA开发环境使用Vivado进行逻辑设计和仿真。
确保安装相关的库和驱动程序。

注意事项

确保所有连接线缆可靠，避免在运行过程中出现接触不良。
在调试过程中，保持良好的散热措施，以防止元件过热导致性能下降。

四、代码实现过程

在本节中，我们将详细介绍多轴嵌入式运动控制器的代码实现过程。代码分为几个模块，包括主控CPU（STM32）的初始化与SPI通信、协处理器（FPGA）的信号处理与伺服控制，以及运动控制之间的通信逻辑。每个模块的代码示例将配以详细的说明。

1.主控CPU (STM32) 模块

1.1 代码实现

主控CPU负责系统管理、人机交互和轨迹规划。以下是主控CPU的初始化及SPI通信的代码实现示例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

// SPI句柄
SPI_HandleTypeDef hspi1;

// SPI初始化函数
void SPI1_Init(void) {
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 设置为主模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 双线通信
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 数据大小为8位
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // 时钟极性
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // 时钟相位
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件管理NSS信号
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 波特率预分频
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // 数据最高位先传送
    HAL_SPI_Init(&hspi1); // 初始化SPI
}

// SPI发送数据函数
void SPI_SendData(uint8_t* data, uint16_t size) {
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, size, HAL_MAX_DELAY); // 发送数据
}

// 主控程序
int main(void) {
    HAL_Init(); // HAL库初始化
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    SPI1_Init(); // 初始化SPI接口

    // 主循环
    while (1) {
        uint8_t sendData[2] = {0x01, 0xA5}; // 示例数据
        SPI_SendData(sendData, sizeof(sendData)); // 发送数据
        HAL_Delay(100); // 延时100ms
    }
}

1.2 代码说明

SPI初始化：在 SPI1_Init 函数中，配置了SPI的工作模式，包括主模式、双线模式、8位数据大小、时钟极性和相位等参数。这些配置确保STM32可以作为主控设备与FPGA进行有效的通信。
SPI发送数据：SPI_SendData 函数使用 HAL_SPI_Transmit 函数将数据发送到FPGA。这里采用了阻塞模式，直到数据发送完成。
主控程序：在主循环中，STM32定期发送数据到FPGA，以模拟控制信号的输出。

2.协处理器 (FPGA) 模块

2.1 代码实现

协处理器负责实现伺服控制逻辑和高速信号处理。以下是FPGA模块的伺服控制逻辑的VHDL代码示例：

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity ServoController is
    Port ( clk     : in STD_LOGIC;  -- 时钟信号
           reset   : in STD_LOGIC;  -- 复位信号
           spi_data : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); -- SPI数据输入
           pwm_out  : out STD_LOGIC; -- PWM输出信号
           servo_pos : out STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0) -- 伺服位置
           );
end ServoController;

architecture Behavioral of ServoController is
    signal count : INTEGER := 0; -- 计数器
begin

process(clk, reset)
begin
    if reset = '1' then
        count <= 0;
        pwm_out <= '0';
        servo_pos <= (others => '0');
    elsif rising_edge(clk) then
        count <= count + 1;

        -- 生成PWM信号
        if (count < to_integer(unsigned(spi_data))) then
            pwm_out <= '1'; -- 高电平
        else
            pwm_out <= '0'; -- 低电平
        end if;

        -- 更新伺服位置
        servo_pos <= std_logic_vector(to_unsigned(count,10)); -- 更新伺服位置
    end if;
end process;

end Behavioral;

2.2 代码说明

实体定义：在 ServoController 实体中，定义了输入端口（时钟、复位信号和SPI数据）和输出端口（PWM信号和伺服位置）。这些端口用于与主控CPU和伺服电机之间的通信。
时钟处理：在 process(clk, reset) 中，使用时钟信号触发逻辑。在复位信号为高时，清零计数器、PWM信号和伺服位置。
PWM信号生成：根据从主控CPU通过SPI接收的数据生成PWM信号。计数器的值与接收到的SPI数据进行比较，决定PWM信号的高低电平，以控制伺服电机的动作。
伺服位置更新：伺服位置输出信号 servo_pos 根据计数器的值更新，表示当前伺服电机的位置。

3. 运动控制器与驱动器之间的通信逻辑

3.1 代码实现

运动控制器与松下A5N驱动器之间通过MNM1221芯片实现RTEX网络通讯。以下是相关的通信逻辑代码示例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

// RTEX通信初始化
void RTEX_Init(void) {
    // 初始化RTEX相关硬件和配置
    // 具体实现依赖于RTEX芯片的文档
}

// RTEX发送数据函数
void RTEX_SendData(uint8_t* data, uint16_t size) {
    // 发送数据到驱动器
    // 具体实现依赖于RTEX的协议
}

// RTEX接收数据函数
void RTEX_ReceiveData(uint8_t* buffer, uint16_t size) {
    // 从驱动器接收数据
    // 具体实现依赖于RTEX的协议
}

// 主控程序中的RTEX通信示例
int main(void) {
    HAL_Init(); // HAL库初始化
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    SPI1_Init(); // 初始化SPI接口
    RTEX_Init(); // 初始化RTEX通信

    // 主循环
    while (1) {
        uint8_t sendData[2] = {0x01, 0xA5}; // 示例数据
        RTEX_SendData(sendData, sizeof(sendData)); // 发送数据到驱动器

        uint8_t receiveData[2];
        RTEX_ReceiveData(receiveData, sizeof(receiveData)); // 接收数据
        HAL_Delay(100); // 延时100ms
    }
}

3.2 代码说明

RTEX初始化：RTEX_Init 函数用于初始化RTEX通讯相关的硬件和配置，具体实现依赖于MNM1221芯片的文档。
RTEX发送数据：RTEX_SendData 函数用于将数据发送到松下A5N驱动器，根据RTEX协议的具体要求实现数据传输。
RTEX接收数据：RTEX_ReceiveData 函数用于从驱动器接收数据，确保控制器能够接收驱动器的反馈信息。
主控程序中的RTEX通信示例：在主循环中，控制器定期发送和接收数据，确保与驱动器的实时通讯。

4. 时序图

以下是系统各模块之间的时序图，展示了主控CPU、协处理器和驱动器之间的交互流程。

五、项目总结

本项目成功设计并实现了一款基于ARM和FPGA的多轴嵌入式运动控制器，具备良好的扩展性和高速处理能力，能够实现基本的伺服控制功能。项目围绕双惯量谐振系统的速度控制算法进行了深入研究，提出了一种有效的解决方案。

主要功能

模块化设计：通过ARM和FPGA的结合，实现了系统的模块化设计，增强了系统的灵活性和扩展性。
高速控制：利用FPGA的并行处理能力，实现了高速伺服控制和信号处理，满足了对实时性的高要求。
实时通信：通过RTEX网络通讯实现了运动控制器与驱动器之间的高效通信，确保了系统的实时响应能力。
用户交互：主控CPU负责处理人机交互界面，使得用户可以方便地进行控制和监控。

技术创新点

多CPU架构：采用STM32作为主控CPU，FPGA作为协处理器，充分发挥二者的优势，实现高效的伺服控制。
高效的RTEX通讯：通过MNM1221芯片实现RTEX网络通讯，大幅提升了数据传输的实时性和可靠性。
灵活的伺服控制：针对双惯量谐振系统的特点，提出了适应性的伺服控制算法，提升了系统对动态变化的响应能力。