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            異構(gòu)多核Zynq處理器的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

            更新時(shí)間:2023-12-31 05:24:02 閱讀: 評(píng)論:0

            2023年12月31日發(fā)(作者:莫名其妙近義詞)

            異構(gòu)多核Zynq處理器的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

            異構(gòu)多核Zynq處理器的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 洪瑞,葉春生 (華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074) 摘要:本文介紹了基于Zynq的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),以ZYBO板為核心,以基于Xilinx工具的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)為開(kāi)發(fā)方 法,結(jié)合ARM和FPGA各自的優(yōu)勢(shì),對(duì)軟硬件進(jìn)行了明確劃分,Zynq片內(nèi)FPGA端完成運(yùn)動(dòng)控制,ARM端完成視頻監(jiān) 控等功能,ARM和FPGA通過(guò)片內(nèi)AXI總線完成數(shù)據(jù)快速交換,實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的精確、快速控制,并使運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有 良好的可視性。 關(guān)鍵詞:軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì);ARM;FPGA;運(yùn)動(dòng)控制;視頻監(jiān)控 中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A Sever Control System Based on HeterOgeneOus Multi—core Zynq Processor Hong Rui,Ye Chunsheng (State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology. Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:The design of sever control system based on Zynq is designed.The system takes ZYBO as the key part and CO design of soft ware and hardware based on Xilinx's tool as the system design method.In the system,the software and hardware is clearly divided re— ferred tO the features of ARM and FPGA.The motor control is implemented on FPGA and the video monitoring is implemented on ARM.A high band-width communication between ARM and FPGA is implemented by utilizing AXI bus in Zynq.The precise and fast control of the servo system is realized,and the motion process is of good visibility. Key words:CO—design of software and hardware;ARM;FPGA;motor control;video monitoring 引 言 伺服壓力機(jī)是利用滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn) 變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),對(duì)坯料進(jìn)行成形加工的鍛壓設(shè) 備,在現(xiàn)有的鍛壓設(shè)備中,伺服壓力機(jī)所占的比例達(dá)到 8O%以上 ]。伺服壓力機(jī)的控制系統(tǒng)以快速、精確跟蹤為 主要目標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)速度及位置精確有效的控制,是一種應(yīng) 用十分廣泛的控制系統(tǒng)。在較早的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 有采用PC+運(yùn)動(dòng)控制板卡、PC+PLC等模式,后發(fā)展到 采用DSP、單片機(jī),或者ARM等 ],這些控制方案核心均 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 伺服控制系統(tǒng)由核心控制板ZYBO(一款基于Zynq 系列Z一7O10芯片的嵌入式開(kāi)發(fā)板)、ZYBO外圍接口及 電平轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)電源、強(qiáng)電控制電路、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺 服電機(jī)組成。如圖1所示,220 V市電經(jīng)過(guò)空氣開(kāi)關(guān)QF 進(jìn)入到開(kāi)關(guān)電源和強(qiáng)電控制電路,開(kāi)關(guān)電源完成從交流 220 V到直流24 V和5 V電壓轉(zhuǎn)換。強(qiáng)電控制電路由交 為單核控制器。單核控制器在追求更復(fù)雜、更高精度、更 快速時(shí)有一定局限,而Xilinx推出的異構(gòu)多核Zynq系列 處理器,集成了ARM處理器的軟件可編程性與FPGA的 流接觸器KM和直流接觸器KA,以及一個(gè)常閉開(kāi)關(guān)和一 個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)組成。伺服驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自ZYBO經(jīng)過(guò)電平 轉(zhuǎn)換后的方向控制信號(hào)和速度控制信號(hào),并返回速度信號(hào) 至ZYBO。 硬件可編程性,不僅可實(shí)現(xiàn)重要分析與硬件加速,還在單 個(gè)器件上高度集成CPU、DSP、ASSP以及混合信號(hào)功能。 Xilinx提供的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)解決方案,最大限度地發(fā)揮 了多核異構(gòu)處理器的優(yōu)勢(shì),利用Zynq處理器不僅可以實(shí) ZYBO的核心Zynq系列Z一7010芯片擁有雙核 ARM Cortex—A9處理器核和可編程邏輯單元(FPGA), 其中ARM端移植嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)時(shí)管理、人 機(jī)交互等功能,FPGA端實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制,并通過(guò)動(dòng)態(tài)重配 置可以實(shí)現(xiàn)不同外設(shè)接口的連接,高速片內(nèi)AXI總線實(shí) 現(xiàn)基本的伺服控制,還能滿足功能更加多樣化的伺服控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。 6 0 Microcontrollers&Embedded Systems 20 16年第7期 wwW.mesnet.com.cr7 

            薯||謄謄l t l 譽(yù)| l 霉鏹 新器件新技術(shù) 《| 強(qiáng) |彝強(qiáng) 鐮簦臻 豫 綞魏奢撂辮L .廠—] 一 一 N I一一I 1 . f — I開(kāi)關(guān)電源 咩 I 、 9+I 24V 上 [=]I KM I接口及電平轉(zhuǎn)換電路I 廠 圖2 FPGA端運(yùn)動(dòng)控制框圖 、 、 L \ 7 + z I I assign Cmd=slvreg0F1:o]; //讀取控制命令 ven=slyassign SpeedGiregl1-31:O];//讀取速度給定 //存放當(dāng)前轉(zhuǎn)速 KA ZYB0 slyreg2 ̄31:03<一Speed—FB 最后利用Xilinx Platform Studio工具將以上整個(gè)運(yùn) 動(dòng)控制部分封裝成IP核,并添加到系統(tǒng)中,供ARM端 訪問(wèn)。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.1 PID控制器 PID控制器的核心思想是針對(duì)控制對(duì)象的控制需求, 現(xiàn)ARM端和FPGA端數(shù)據(jù)傳輸。控制板ZYBO上有 USB 2.0接口,通過(guò)USB Hub對(duì)USB接口進(jìn)行擴(kuò)展,接 建立描述動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)調(diào)整比例、積分、微分 三個(gè)方面的參數(shù)達(dá)到系統(tǒng)最佳響應(yīng)和控制效果。本文采 入USB攝像頭、鼠標(biāo)和鍵盤(pán),USB攝像頭用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 1.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 控制系統(tǒng)采用基于Xilinx工具的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) ] 方法,即在整個(gè)控制系統(tǒng)及定義的基礎(chǔ)上,同時(shí)對(duì)軟硬件 用數(shù)字位置式PID,位置式PID計(jì)算公式如下: P(k):(K +K +K。)E(k)+ KI’∑E(k)+(一KD)E(k一1) 根據(jù)公式繪制示意圖,如圖3所示。 設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào),包括軟硬件的劃分、軟硬件的開(kāi)發(fā)和聯(lián)合調(diào) 試。Xilinx Platform Studio完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建后, 最終在FPGA端完成運(yùn)動(dòng)控制,ARM端實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的給 E 定讀寫(xiě)和對(duì)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的視頻監(jiān)控。 2 FPGA端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) FPGA端實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制,如圖2所示。 ARM通過(guò)片內(nèi)AXI總線向FPGA傳輸速度給定和控制 命令,FPGA通過(guò)片內(nèi)AXI總線向ARM返回電機(jī)當(dāng)前速 度。PID控制器通過(guò)計(jì)算速度給定與反饋速度偏差來(lái)輸 出控制量值至脈沖模塊,通過(guò)脈沖頻率控制電機(jī)速度,方 向信號(hào)電平高低控制轉(zhuǎn)向,FPGA輸出速度脈沖和方向 信號(hào)。 給定接口和返回接口利用Xilinx Platform Studio定 P(k】 圖3數(shù)字增量式PlD示意圖 制IP過(guò)程中申請(qǐng)的3個(gè)32位寄存器,slv—reg0用來(lái)存放 控制命令,slv_regl用來(lái)存放給定速度,sly—reg2用來(lái)存放 當(dāng)前轉(zhuǎn)速,部分關(guān)鍵代碼如下: parameter CNUM圖3中,Y(k)為控制器輸出,R(k)為控制器給定,最后 利用Xilinx提供的System Generator?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。 2.2脈沖模塊 //設(shè)置寄存器數(shù)量 //設(shè)置寄存器位寬 REG=3; 脈沖模塊產(chǎn)生方波信號(hào)部分Verilog代碼如下(其中, 方向信號(hào)根據(jù)給定脈沖改變輸出狀態(tài)): parameter CSLV—DWIDTH=32; 敬請(qǐng)登錄網(wǎng)站在線投稿 2016#-g 7期 《平 機(jī) 嵌入式條'乇應(yīng)岡》 61 

            always@(posedge clk) begin 利用ioremap(res一>start,remap—size)完成從物理 地址到內(nèi)核空間虛擬地址的映射,返回虛擬地址的首地址 為base addr。 if(i一一counter)//頻率控制字counter begin i一0:  p out一~pout:利用struct file—operations結(jié)構(gòu)體將驅(qū)動(dòng)程序里的功 能函數(shù)與系統(tǒng)調(diào)用關(guān)聯(lián)起來(lái)。 static const struct fileoperations procmyctrloperations一{ end .open—proc—myctrlopen, else .read—procmyctrlread, —i—i+1: .write—procmyctrlwrite, end .release—singlerelease 2.3正交解碼及速度計(jì)算模塊 正交解碼模塊由方向解碼電路、4倍頻電路 和加減 計(jì)數(shù)器組成,伺服驅(qū)動(dòng)器返回A、B兩相正交脈沖,正轉(zhuǎn)時(shí) A相超前B相9O。,反之,B相超前A相90。。根據(jù)電機(jī)的 運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)用計(jì)數(shù)器對(duì)A相和B相的上升沿和下降沿 進(jìn)行加(正轉(zhuǎn))減(反轉(zhuǎn))計(jì)數(shù)。速度計(jì)算模塊再根據(jù)編碼 器值計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速,根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速偏差,計(jì)算 轉(zhuǎn)速偏差,最后將轉(zhuǎn)速偏差送到PID控制器進(jìn)行計(jì)算。 } 其中,proc—myctrl—read關(guān)鍵部分如下: static ssizet procmyctrlread(struct file*file,const charofttuser*bur,sizet count,l ppos){…… charvalue phrase[-161; ue—ioread32(baseaddr);speedval //讀取速度 sprintf(valuephrase,” d”,speedvalue); //將整型數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串 count—strlen(valuephrase); 根據(jù)綜合時(shí)序報(bào)告,FPGA端運(yùn)動(dòng)控制部分時(shí)鐘頻率設(shè)置 為90.9 MHz,給電機(jī)階躍響應(yīng)測(cè)試(空載),給定為電機(jī) 額定轉(zhuǎn)速1500 r/min,FPGA調(diào)整控制周期約為6O s,電 機(jī)轉(zhuǎn)速約在50 ms達(dá)到穩(wěn)定,且響應(yīng)過(guò)程無(wú)超調(diào)。 //求字符串長(zhǎng)度 if(copytOuser(buf,valuephrase,count)) //將數(shù)據(jù)拷貝到用戶區(qū) ······、 利用proc_create(”myctrl”,0,NUI I一 ̄procmyetrl—— 3 ARM端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) operations)函數(shù)完成slave_ip驅(qū)動(dòng)的虛擬文件接口創(chuàng)建,實(shí) 現(xiàn)應(yīng)用層與內(nèi)核的交互,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)該設(shè)備文件的讀 圖像采集及顯示,蔞 向\- 圖 4 廠.1里 蘭 I 寫(xiě),設(shè)備文件名為“myctrl”。 令,并且讀取FPGA塞返 l \大--電6  流程如圖 所示。\ / lI 甲 L= 3.1 ARM和FPGA 3.1.2應(yīng)用程序?qū)Γ恚悖簦颍煳募淖x寫(xiě) 部分關(guān)鍵代碼如下: FII E*fp; //定義一個(gè)指向文件流的指針 //打開(kāi)文件 fp=fopen(”/proc/myctrl”,”w”); fwrite(Bur,sizeof(BuD,1,fp); //用戶程序?qū)懡o定命令 數(shù)據(jù)交換 在FPGA端自定 圖3.2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分視頻監(jiān)控 3.2.1 攝像頭配置和采集流程 視頻采集采用的是UVC(免驅(qū))攝像頭,在Linux 2.6.30以上的內(nèi)核版本中均自帶UVC驅(qū)動(dòng),但需要手動(dòng) 4 ARM端程序主流程 義了運(yùn)動(dòng)控制IP——slave—ip,系統(tǒng)給slaveip在ARM端 分配的物理地址范圍為0x 6220 0000~Ox 6220 FFFF,大 小為64 Kb,slave—ip將作為ARM的i/o內(nèi)存。slave—ip 重新加載UVC驅(qū)動(dòng)模塊(UVC input events device sup— port)到內(nèi)核中,Linux終端進(jìn)入當(dāng)前內(nèi)核源碼目錄下,輸 中定義的3個(gè)用于和ARM交換數(shù)據(jù)的寄存器sly—reg0、 slvregl、slvreg2,首地址為0x 6220 0000,每個(gè)寄存器間 入“make menuconfig”進(jìn)入圖形化內(nèi)核配置界面,在De— vice Drivers一>Multimedia support一>Media USB Adapt— _偏移地址為4。 ers一>USB Video Class下選中“UVC input events device 3.1.1 編寫(xiě)slaveip驅(qū)動(dòng)程序 —support”,然后保存退出內(nèi)核圖形化配置界面,重新進(jìn)行 幣U用request—mem—region(res一>start,remap—size, 交叉編譯,最終生成內(nèi)核鏡像,下載到SD卡FAT32啟動(dòng) 分區(qū)中 ]。 pdev一 ̄name))申請(qǐng)資源,使用從res一>start開(kāi)始的、大 小為remap—size的、名字為pdev一>name的I/0內(nèi)存 資源。 UVC驅(qū)動(dòng)是標(biāo)準(zhǔn)V4L2結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng) ,V4L2是 Linux環(huán)境下開(kāi)發(fā)視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一套規(guī)范 6 2 Microcontrollers&Embedded Systems 20 16年第7期 WWW.mesnet.com.cn 

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