基于FPGA的逐点比较圆弧插补算法设计

二○一三届毕业设计基于FPGA逐点比较圆弧插补算法设计学院：电子与控制工程学院专业：电子科学与技术姓名：……..学号：………指导教师：……..完成时间：2013年5月二〇一三年五月摘 要┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊摘 要本课题主要是研究基于VHDL 实现数控系统中的逐点比较圆弧插补，要求圆弧运动过程平滑，在各象限能顺利过渡，并有较小的设计误差，能与运动控制部分很好的集成，实现较高的切割频率。

本课题采用QuartusII 软件来调试程序，并进行波形仿真。

主要的工作如下： 1） 理解数控系统中逐点比较圆弧插补算法的原理及其实现方法； 2） 通过硬件描述语言VHDL 在FPGA 上实现上述算法； 3） 完成圆弧插补的仿真与测试。

关键词：VHDL ，FPGA ，逐点比较法，QuartusIIABSTRACT┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ABSTRACTThis topic mainly studies based on VHDL realization of point by point comparison circular arc interpolation in nc system, the movement for arc process smooth, in each quadrant can smooth transition, and a relatively small design error, can very good integration with motion control part, realize the high frequency of cutting.This subject adopts software QuartusII to debug program and waveform simulation. The main work is as follows:1. Understand CNC system the principle of point by point comparison in circular arc interpolation algorithm and its realization method2. Through the hardware description language VHDL FPGA to realize the above algorithms.3. Finish arc interpolation of simulation and testKEY WORDS : VHDL, FPGA, point-by-point comparison, QUARTUS II目录┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊目录摘 要 .................................................................. I ABSTRACT .............................................................. II 第一章 绪论 .. (1)1.1概述 ............................................................ 1 1.2国内外发展状况 ................................. 错误！未定义书签。

1.3 FPGA 的优点 .................................... 错误！未定义书签。

1.4 FPGA 的设计流程 ................................ 错误！未定义书签。

第二章 设计方案选择 (4)2.1各种方案的特点 .................................................. 4 2.2方案选择 ........................................................ 4 第三章 逐点比较法原理 ................................................. 5 3.1逐点比较圆弧插补原理 ............................................ 5 3.2圆弧插补的运算过程 .............................................. 6 3.3节拍控制和运算程序的流程图 ...................................... 7 3.4圆弧插补的象限处理与坐标交换 (7)3.4.1圆弧插补的象限处理 ........................................ 7 3.4.2圆弧自动过象限 .. (8)第四章 圆弧插补算法VHDL 实现 (8)4.1圆弧插补逻辑状态 ............................................ 9 4.2圆弧插补方向进给 ........................................... 11 4.3圆弧插补VHDL 仿真 .......................................... 11 4.4四象限圆弧插补 ............................ 1错误！未定义书签。

第五章 总结与展望 .................................................... 14 致谢 .................................................................. 16 参考文献 .. (17)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章绪论1.1 概述逐点比较法的基本原理是被控对象在按要求的轨迹运动时，每走一步都要与规定的轨迹进行比较，由此结果决定下一步移动的方向。

逐点比较法既可以作直线插补又可以作圆弧插补。

这种算法的特点是，运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出买成速度变化小，调节方便，因此在两坐标数控机床中应用较为普遍。

在零件加工中，理想加工轨迹是刀具中心轨迹应与零件轮廓形状一致，但实际应用时往往用一小段直线或圆弧去逼近，从而使得控制算法简单，计算量减小。

插补算法是确定刀具中心运动轨迹的计算方法；插补计算就是对数控系统输入基本数据（如直线的起点、终点的坐标，圆弧的起点、终点、圆心的坐标等）运用一定的插补算法计算，计算结果可用来图形仿真或作为刀的进给数据。

目前插补算法有很多种，与其它插补方法相比，逐点比较法是一种控制算法简单、进给速度控制方便的插补算法。

逐点比较法插补既可以作直线插补，又可作圆弧插补。

本文将介绍逐点比较法圆弧插补的基本原理，并进行相应的仿真，使其能很好的应用到FPGA上。

1.2国内外发展现状目前数控系统所使用的插补器多为软件插补器，软件插补器虽然有很多优点，但软件插补受计算机软件运算速度限制，插补的速度、精度等性能指标难以满足高速实时控制的要求，并已经逐渐成为制约数控加工速度的瓶颈。

对于超高速加工场合，随着数控设备中关键功能部件(直线进给伺服单元、大功率电主轴和陶瓷轴承等)的技术突破，如果继续采用全软件方法来实现数控加工功能，其速度和加工效率将无法得到进一步提高。

在数字计算机系统、数控机床、数字控制系统、数字测量系统等领域中，FPGA(FieldProgrammable Gate Array现场可编程门阵列)技术的应用同益广泛。

FPGA 器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术，它将现代T24U逻辑集成的┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊优点和可编程器件设计灵活，制作及上市快速的长处相结合，使设计者在FPGA开发系统软件的支持下，现场直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能，使一个包含数千个逻辑门的数字系统设计实现，采用FPGA技术，即可几天内完成。

用FPGA技术使得电子系统设计发展到系统芯片化的新时代，FPGA技术为电子系统设计提供了新的思路和方法。

开放式、可重构是目前数控系统的主要发展趋势。

随着深亚微米集成电路制造工艺的成熟，可编程逻辑器件和硬件描述语言的广泛应用，使个人用户开发定制硬逻辑运动控制功能芯片成为可能。

特别是近几年兴起的基于硬件复用技术的SoC(System onChip：片上系统)设计方法，以其快速的产品上市时间、良好的功能可配置性日益成为IC(集成电路)设计的重要方法。

1.3 FPGA的优点FPGA芯片是特殊的ASIC芯片，它除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：随着VISI(Very Large Scale IC，超大规模集成电路)工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。

FPGA芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。

所以，FPGA的资会投入小，节省了许多潜在的花费。

用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。

所以，用FPGA试制样片，能以最快的速度占领市场。

FPGA软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。

当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势。

电路设计人员使用FPGA进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGA软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。

1．4 FPGA的设计流程完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤。