基本信息
- 項目名稱：
- 基于ARM+FPGA的嵌入式網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)運動控制平臺
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 構(gòu)建以ARM+FPGA為硬件平臺的系統(tǒng)框架，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。上位PC機通過以太網(wǎng)與嵌入式可重構(gòu)的運動控制平臺實時交互，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制。
- 詳細介紹：
- 系統(tǒng)圍繞ARM+FPGA框架，進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，移植了Bootloader，Linux操作系統(tǒng)以及嵌入式服務(wù)器。上層應(yīng)用軟件采用VC++6.0設(shè)計，用戶可以在遠端通過以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議訪問嵌入式服務(wù)器，以C/S模式與嵌入式可重構(gòu)的運動控制平臺實時交互，特別適合于制造業(yè)局域網(wǎng)中設(shè)備的控制系統(tǒng)重組、功能重構(gòu)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制，使其成為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的自治單元。可重構(gòu)平臺數(shù)據(jù)存放于服務(wù)器，應(yīng)用程序放在客戶端，客戶端應(yīng)用非常靈活，滿足系統(tǒng)重構(gòu)的要求。根據(jù)具體的測控對象，系統(tǒng)使用者可以在PC機上把設(shè)計好的系統(tǒng)功能或新的控制算法，通過軟件仿真驗證后，將生成的新的FPGA配置文件，通過客戶端上傳到嵌入式服務(wù)器，然后通過該平臺重新配置FPGA，從而實現(xiàn)運動控制平臺新的控制功能或新的控制算法完成對象運動的控制或者實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集完成設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，而這一系列變化均無需更換運動控制平臺硬件。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 當(dāng)今，運動控制技術(shù)已由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)的專用運動控制技術(shù)而逐漸發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重組的先進運動控制技術(shù)。當(dāng)前市場主流是基于計算機標準總線的運動控制器，但這個系統(tǒng)不能很好的滿足網(wǎng)絡(luò)化制造的需求，系統(tǒng)實時性、可靠性有待提高。這也導(dǎo)致了在當(dāng)前推進現(xiàn)代集成制造（CIMS）中，設(shè)備級控制系統(tǒng)與上級系統(tǒng)缺乏聯(lián)系，形成信息孤島。因而伴隨著網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式運動控制器逐步成為運動控制的主流。將網(wǎng)絡(luò)化和嵌入式系統(tǒng)融入當(dāng)前的運動控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)制造商也可以通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能進行遠程診斷服務(wù)，使系統(tǒng)動態(tài)和遠程重構(gòu)成為可能。 通過分析和比較，確定了ARM+FPGA為硬件平臺的系統(tǒng)框架，并在此基礎(chǔ)上，移植了Bootloader，Linux操作系統(tǒng)以及嵌入式服務(wù)器。上層應(yīng)用軟件采用VC++6.0設(shè)計，用戶可以在遠端通過以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議訪問嵌入式服務(wù)器，以C/S模式與嵌入式可重構(gòu)的運動控制平臺實時交互，客戶端應(yīng)用非常靈活，滿足系統(tǒng)重構(gòu)的要求。根據(jù)具體的測控對象，系統(tǒng)使用者可以在PC機上把設(shè)計好的系統(tǒng)功能或新的控制算法，通過軟件仿真驗證后，將生成的新的FPGA配置文件，通過客戶端上傳到嵌入式服務(wù)器，然后通過該平臺重新配置FPGA，從而實現(xiàn)運動控制平臺新的控制功能或新的控制算法完成對象運動的控制或者實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集完成設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，而這一系列變化均無需更換運動控制平臺硬件。
科學(xué)性、先進性
- 該研究融合了嵌入式技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等前沿?zé)衢T技術(shù)，實現(xiàn)了運動控制的動態(tài)和遠程可重構(gòu)。它對ARM、FPGA、嵌入式服務(wù)器等進行了合理的裁剪和整合，對運動控制技術(shù)進行了創(chuàng)新，為解決可重構(gòu)制造系統(tǒng)中設(shè)備控制級信息系統(tǒng)的信息孤島和實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享提供一種解決方案。在同類研究中創(chuàng)造性的提出了ARM和FPGA相結(jié)合的運動控制器。同時，結(jié)合較為先進的基于ARM的嵌入式服務(wù)器技術(shù)實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)遠程可重構(gòu)運動控制器。具有較重要的學(xué)術(shù)參考價值和重要的工程應(yīng)用意義。 系統(tǒng)可重構(gòu)的特性由FPGA通過重新配置實現(xiàn)。由于FPGA與一般微處理器不同，相異的模塊間可以根據(jù)需要并行由硬件電路實現(xiàn)，運算速度非?？欤沟煤芏鄰?fù)雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，實時性好，而且集成度更高，可以實現(xiàn)高精度多軸伺服控制?；贏RM+FPGA的運動控制器具有能實現(xiàn)良好的運動控制性能和靈活的可編程功能，在開放式控制系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用前景，必將成為高性能運動控制系統(tǒng)的主流。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月6日在湖北省第七屆挑戰(zhàn)杯比賽中獲得省一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- ?實物、產(chǎn)品 現(xiàn)場演示 圖片 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 當(dāng)前，在國家確定優(yōu)先大力發(fā)展先進制造業(yè)的背景下，這項研究具有較強的應(yīng)用性和較好的經(jīng)濟性。由于運動控制技術(shù)是制造自動化的核心技術(shù)也是基石技術(shù)。該系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，其典型應(yīng)用包括機器人技術(shù)，CNC加工，RC天線及碟型天線的伺服系統(tǒng)、航海自動定位系統(tǒng)、打印機與復(fù)印機取紙器，及其他由電機控制的機械組裝定位的場合。與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，系統(tǒng)控制智能化、實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、操作性能柔性化。對于發(fā)展我國先進制造業(yè)，促進制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級，提升我國機械自主創(chuàng)新能力有著很顯著的現(xiàn)實意義。同時，由于微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品性價比提高，因此該系統(tǒng)有著明顯的價格優(yōu)勢，適與大面積推廣與應(yīng)用，市場前景廣闊。
同類課題研究水平概述
- 20世紀90年代，美國等國提出了可重構(gòu)制造的概念。提出了應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)、靈活拼組制造設(shè)備，發(fā)展作業(yè)調(diào)度和物料搬運的動態(tài)控制，通過虛擬制造單元的物理重組來構(gòu)造制造系統(tǒng)的概念。1996年，美國密執(zhí)安大學(xué)(University of Michigan)成立可重構(gòu)制造系統(tǒng)工程研究中心。其中之一就是研究可重構(gòu)制造系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)建模。 在國內(nèi)，可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究己為學(xué)術(shù)界所重視。國家自然科學(xué)基金將可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究列入“十五”計劃。九五期間國家自然科學(xué)基金重點資助了“快速重組制造系統(tǒng)”的研究，雖然許多學(xué)者圍繞“可重構(gòu)”這一概念開展了研究，但可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究尚在起步階段。 而國內(nèi)外現(xiàn)有的運動控制器產(chǎn)品中涉及嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)運動控制器產(chǎn)品很少，傳統(tǒng)的運動控制器主要的產(chǎn)品包括4種類型：基于PC機的運動控制器、PLC型運動控制器、“PC機+運動控制卡(基于DSP或?qū)Ｓ玫?”型運動控制器和基于嵌入式計算的運動控制器。其中基于嵌入式計算的運動控制器是目前運動控制器發(fā)展的方向。 目前，在有關(guān)可重構(gòu)運動網(wǎng)絡(luò)控制的研究當(dāng)中，在硬件方面，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)如四川大學(xué)、江蘇大學(xué)，固高科技、斯邁迪等都進行了相關(guān)研究。提出了基于FPGA和DSP或者FPGA和PIC單片機以及ARM等的運動控制系統(tǒng)設(shè)計；在網(wǎng)絡(luò)控制方面，武漢理工大學(xué)、西南石油大學(xué)等也在基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控或者基于INTERNET的遠程監(jiān)控方面進行了相關(guān)研究。 在國外研究方面，一些FPGA制造銷售廠商如XILINX等在開發(fā)FPGA時也涉及到了ARM和FPGA的結(jié)合。加拿大 Laval university、美國的Pittsburgh university等也發(fā)表過基于ARM和FPGA的嵌入式系統(tǒng)。 然而，無論國內(nèi)還是國外的研究，有的關(guān)注于單獨的基于ARM或者FPGA的研究，有的單獨研究基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)控制，也有研究ARM和FPGA結(jié)合的，但是這些研究要么是只研究了一個方面，要么是沒有將其應(yīng)用到運動控制，或者沒有結(jié)合基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)控制。 而本研究將國際上流行的ARM技術(shù)、FPGA技術(shù)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制、運動控制理論等緊密的結(jié)合起來。這是在國內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上的一次吸收、融合、再創(chuàng)新，是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的自治單元的關(guān)鍵技術(shù)之一。
