基本信息
- 项目名称：
- 基于ARM+FPGA的嵌入式网络可重构运动控制平台
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 构建以ARM+FPGA为硬件平台的系统框架，并在此基础上，构建嵌入式网络服务器。上位PC机通过以太网与嵌入式可重构的运动控制平台实时交互，实现设备状态监测与控制。
- 详细介绍：
- 系统围绕ARM+FPGA框架，进行系统硬件设计，并在此基础上，移植了Bootloader，Linux操作系统以及嵌入式服务器。上层应用软件采用VC++6.0设计，用户可以在远端通过以太网及TCP/IP协议访问嵌入式服务器，以C/S模式与嵌入式可重构的运动控制平台实时交互，特别适合于制造业局域网中设备的控制系统重组、功能重构以及设备状态监测与控制，使其成为可重构制造系统的自治单元。可重构平台数据存放于服务器，应用程序放在客户端，客户端应用非常灵活，满足系统重构的要求。根据具体的测控对象，系统使用者可以在PC机上把设计好的系统功能或新的控制算法，通过软件仿真验证后，将生成的新的FPGA配置文件，通过客户端上传到嵌入式服务器，然后通过该平台重新配置FPGA，从而实现运动控制平台新的控制功能或新的控制算法完成对象运动的控制或者实现高速的数据采集完成设备状态的监测，而这一系列变化均无需更换运动控制平台硬件。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 当今，运动控制技术已由面向传统的数控加工行业的专用运动控制技术而逐渐发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。当前市场主流是基于计算机标准总线的运动控制器，但这个系统不能很好的满足网络化制造的需求，系统实时性、可靠性有待提高。这也导致了在当前推进现代集成制造（CIMS）中，设备级控制系统与上级系统缺乏联系，形成信息孤岛。因而伴随着网络、嵌入式技术的不断发展和完善，基于网络的嵌入式运动控制器逐步成为运动控制的主流。将网络化和嵌入式系统融入当前的运动控制系统中，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行远程诊断服务，使系统动态和远程重构成为可能。 通过分析和比较，确定了ARM+FPGA为硬件平台的系统框架，并在此基础上，移植了Bootloader，Linux操作系统以及嵌入式服务器。上层应用软件采用VC++6.0设计，用户可以在远端通过以太网及TCP/IP协议访问嵌入式服务器，以C/S模式与嵌入式可重构的运动控制平台实时交互，客户端应用非常灵活，满足系统重构的要求。根据具体的测控对象，系统使用者可以在PC机上把设计好的系统功能或新的控制算法，通过软件仿真验证后，将生成的新的FPGA配置文件，通过客户端上传到嵌入式服务器，然后通过该平台重新配置FPGA，从而实现运动控制平台新的控制功能或新的控制算法完成对象运动的控制或者实现高速的数据采集完成设备状态的监测，而这一系列变化均无需更换运动控制平台硬件。
科学性、先进性
- 该研究融合了嵌入式技术、信息技术、现代控制技术等前沿热门技术，实现了运动控制的动态和远程可重构。它对ARM、FPGA、嵌入式服务器等进行了合理的裁剪和整合，对运动控制技术进行了创新，为解决可重构制造系统中设备控制级信息系统的信息孤岛和实现数据共享提供一种解决方案。在同类研究中创造性的提出了ARM和FPGA相结合的运动控制器。同时，结合较为先进的基于ARM的嵌入式服务器技术实现基于网络的动态远程可重构运动控制器。具有较重要的学术参考价值和重要的工程应用意义。 系统可重构的特性由FPGA通过重新配置实现。由于FPGA与一般微处理器不同，相异的模块间可以根据需要并行由硬件电路实现，运算速度非常快，使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，实时性好，而且集成度更高，可以实现高精度多轴伺服控制。基于ARM+FPGA的运动控制器具有能实现良好的运动控制性能和灵活的可编程功能，在开放式控制系统中具有很大的应用前景，必将成为高性能运动控制系统的主流。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月6日在湖北省第七届挑战杯比赛中获得省一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 当前，在国家确定优先大力发展先进制造业的背景下，这项研究具有较强的应用性和较好的经济性。由于运动控制技术是制造自动化的核心技术也是基石技术。该系统有着广泛的应用，其典型应用包括机器人技术，CNC加工，RC天线及碟型天线的伺服系统、航海自动定位系统、打印机与复印机取纸器，及其他由电机控制的机械组装定位的场合。与同类产品相比，该系统实现了整体结构最优化，系统控制智能化、实时监控网络化、操作性能柔性化。对于发展我国先进制造业，促进制造产业创新升级，提升我国机械自主创新能力有着很显著的现实意义。同时，由于微电子技术的发展，嵌入式产品性价比提高，因此该系统有着明显的价格优势，适与大面积推广与应用，市场前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 20世纪90年代，美国等国提出了可重构制造的概念。提出了应用模块化结构、灵活拼组制造设备，发展作业调度和物料搬运的动态控制，通过虚拟制造单元的物理重组来构造制造系统的概念。1996年，美国密执安大学(University of Michigan)成立可重构制造系统工程研究中心。其中之一就是研究可重构制造系统分布式网络的动态建模。 在国内，可重构制造系统的研究己为学术界所重视。国家自然科学基金将可重构制造系统的研究列入“十五”计划。九五期间国家自然科学基金重点资助了“快速重组制造系统”的研究，虽然许多学者围绕“可重构”这一概念开展了研究，但可重构制造系统的研究尚在起步阶段。 而国内外现有的运动控制器产品中涉及嵌入式系统的可重构运动控制器产品很少，传统的运动控制器主要的产品包括4种类型：基于PC机的运动控制器、PLC型运动控制器、“PC机+运动控制卡(基于DSP或专用的)”型运动控制器和基于嵌入式计算的运动控制器。其中基于嵌入式计算的运动控制器是目前运动控制器发展的方向。 目前，在有关可重构运动网络控制的研究当中，在硬件方面，国内相关科研机构如四川大学、江苏大学，固高科技、斯迈迪等都进行了相关研究。提出了基于FPGA和DSP或者FPGA和PIC单片机以及ARM等的运动控制系统设计；在网络控制方面，武汉理工大学、西南石油大学等也在基于嵌入式网络监控或者基于INTERNET的远程监控方面进行了相关研究。 在国外研究方面，一些FPGA制造销售厂商如XILINX等在开发FPGA时也涉及到了ARM和FPGA的结合。加拿大 Laval university、美国的Pittsburgh university等也发表过基于ARM和FPGA的嵌入式系统。 然而，无论国内还是国外的研究，有的关注于单独的基于ARM或者FPGA的研究，有的单独研究基于嵌入式的网络控制，也有研究ARM和FPGA结合的，但是这些研究要么是只研究了一个方面，要么是没有将其应用到运动控制，或者没有结合基于嵌入式的网络控制。 而本研究将国际上流行的ARM技术、FPGA技术、嵌入式网络控制、运动控制理论等紧密的结合起来。这是在国内外相关研究基础上的一次吸收、融合、再创新，是可重构制造系统的自治单元的关键技术之一。
