題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于ARM+FPGA的嵌入式網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 構(gòu)建以ARM+FPGA為硬件平臺(tái)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(jī)通過以太網(wǎng)與嵌入式可重構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制。
- 詳細(xì)介紹：
- 系統(tǒng)圍繞ARM+FPGA框架，進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，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(jì)，用戶可以在遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)時(shí)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(cè)與控制，使其成為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的自治單元?？芍貥?gòu)平臺(tái)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(cè)控對(duì)象，系統(tǒng)使用者可以在PC機(jī)上把設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)功能或新的控制算法，通過軟件仿真驗(yàn)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(tái)重新配置FPGA，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)新的控制功能或新的控制算法完成對(duì)象運(yùn)動(dòng)的控制或者實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集完成設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，而這一系列變化均無需更換運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)硬件。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 當(dāng)今，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。當(dāng)前市場(chǎng)主流是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，但這個(gè)系統(tǒng)不能很好的滿足網(wǎng)絡(luò)化制造的需求，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性有待提高。這也導(dǎo)致了在當(dāng)前推進(jìn)現(xiàn)代集成制造（CIMS）中，設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與上級(jí)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(yùn)動(dòng)控制器逐步成為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行遠(yuǎn)程診斷服務(wù)，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和遠(yuǎn)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(tái)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(jì)，用戶可以在遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)時(shí)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(cè)控對(duì)象，系統(tǒng)使用者可以在PC機(jī)上把設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)功能或新的控制算法，通過軟件仿真驗(yàn)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(tái)重新配置FPGA，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)新的控制功能或新的控制算法完成對(duì)象運(yùn)動(dòng)的控制或者實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集完成設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，而這一系列變化均無需更換運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)硬件。
科學(xué)性、先進(jìn)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(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)和遠(yuǎn)程可重構(gòu)。它對(duì)ARM、FPGA、嵌入式服務(wù)器等進(jìn)行了合理的裁剪和整合，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新，為解決可重構(gòu)制造系統(tǒng)中設(shè)備控制級(jí)信息系統(tǒng)的信息孤島和實(shí)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(yùn)動(dòng)控制器。同時(shí)，結(jié)合較為先進(jìn)的基于ARM的嵌入式服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器。具有較重要的學(xué)術(shù)參考價(jià)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(shí)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(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度非常快，使得很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好，而且集成度更高，可以實(shí)現(xiàn)高精度多軸伺服控制。基于ARM+FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器具有能實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主流。
獲獎(jiǎng)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(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- ?實(shí)物、產(chǎn)品 現(xiàn)場(chǎng)演示 圖片 樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 當(dāng)前，在國(guó)家確定優(yōu)先大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的背景下，這項(xiàng)研究具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和較好的經(jīng)濟(jì)性。由于運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是制造自動(dòng)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(jī)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(dòng)定位系統(tǒng)、打印機(jī)與復(fù)印機(jī)取紙器，及其他由電機(jī)控制的機(jī)械組裝定位的場(chǎng)合。與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，系統(tǒng)控制智能化、實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、操作性能柔性化。對(duì)于發(fā)展我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)，促進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級(jí)，提升我國(guó)機(jī)械自主創(chuàng)新能力有著很顯著的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，由于微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品性價(jià)比提高，因此該系統(tǒng)有著明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，適與大面積推廣與應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。
同類課題研究水平概述
- 20世紀(jì)90年代，美國(guó)等國(guó)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(yùn)的動(dòng)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(guó)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(dòng)態(tài)建模。 在國(guó)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(guó)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(jì)劃。九五期間國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品中涉及嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品很少，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器主要的產(chǎn)品包括4種類型：基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器、PLC型運(yùn)動(dòng)控制器、“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡(基于DSP或?qū)Ｓ玫?”型運(yùn)動(dòng)控制器和基于嵌入式計(jì)算的運(yùn)動(dòng)控制器。其中基于嵌入式計(jì)算的運(yùn)動(dòng)控制器是目前運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)展的方向。 目前，在有關(guān)可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究當(dāng)中，在硬件方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)如四川大學(xué)、江蘇大學(xué)，固高科技、斯邁迪等都進(jìn)行了相關(guān)研究。提出了基于FPGA和DSP或者FPGA和PIC單片機(jī)以及ARM等的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；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(yuǎn)程監(jiān)控方面進(jìn)行了相關(guān)研究。 在國(guó)外研究方面，一些FPGA制造銷售廠商如XILINX等在開發(fā)FPGA時(shí)也涉及到了ARM和FPGA的結(jié)合。加拿大 Laval university、美國(guó)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(guó)內(nèi)還是國(guó)外的研究，有的關(guān)注于單獨(dú)的基于ARM或者FPGA的研究，有的單獨(dú)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(gè)方面，要么是沒有將其應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)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(guó)際上流行的ARM技術(shù)、FPGA技術(shù)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制、運(yùn)動(dòng)控制理論等緊密的結(jié)合起來。這是在國(guó)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。
