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 isPort ( 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 issignal count : INTEGER := 0; -- 计数器
beginprocess(clk, reset)
beginif reset = '1' thencount <= 0;pwm_out <= '0';servo_pos <= (others => '0');elsif rising_edge(clk) thencount <= count + 1;-- 生成PWM信号if (count < to_integer(unsigned(spi_data))) thenpwm_out <= '1'; -- 高电平elsepwm_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}
}