淺談基于FPGA的插補器設計

摘 要：針對制約數控系統處理速度提高的瓶頸，利用專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）技術設計具有獨立功能的硬件芯片，用于承擔相應的數控功能的思路得到了應用，有效地提高了數控機床綜合加工能力。本文主要論述了在Maxplus2_10.0開發平臺上，運用硬件描述語言VHDL設計逐點比較法直線插補程序和逐點比較法圓弧插補程序。

關鍵詞：插補算法；現場可編程邏輯門陣列；超高速集成電路硬件描述語言

隨著微處理器技術的進步，數控系統的計算和控制精度已經不是主要問題，處理速度也得到了較大幅度的提高。但對于利用純軟件完成數控系統功能來說，執行控制程序需要一定的時間，相對一定運行頻率的微處理器而言，速度的提高不是無限制的。特別是對于超高速加工場合，隨著數控設備中關鍵功能部件的技術突破，如果繼續采用全軟件方法來實現數控加工功能，其速度和加工效率將無法得到進一步提高。因此，針對制約數控系統處理速度提高的瓶頸，利用專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）技術設計具有獨立功能的硬件芯片，用于承擔相應的數控功能的思路得到了應用，有效地提高了數控機床綜合加工能力。自從20世紀70年代可編程邏輯器件得以廣泛應用以來，先后有多種復雜度不同的PLD 器件問世。其中現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是目前規模最大、資源最多的一類，用于實現復雜的邏輯功能。

一、該設計所做的主要工作

1.逐點比較法插補原理

本次設計涉及到逐點比較法（直線插補和圓弧插補）原理。由于篇幅限制，這里只簡單說明逐點比較法直線插補算法原理中偏差函數的設計（下面章節中也只講這種插補方法）。

逐點比較法直線插補算法原理中偏差函數的表達最為重要。程序通過對偏差函數值的判斷輸出X軸或Y軸的脈沖進給信號。采用遞推算式求取偏差函數值，設第i次插補后，偏差函數為Fi=XeYi-XiYe，若Fi≥0，刀具應向（+X）方向進給一步，新動點坐標值為Xi+1=Xi+1、Yi+1=Yi，則新偏差函數為Fi+1=Fi-Ye；當Fi<0時，刀具應向（+Y）方向進給一步，新的動點坐標值為Xi+1=Xi、Yi+1=Yi+1，則新偏差函數為Fi+1=Fi+Xe。最后進行總步長數法判別，控制刀具到達終點。

2.逐點比較法直線插補程序設計

給出逐點比較法第一象限直線插補程序流程圖，其中Xe、Ye是X軸、Y軸的終點坐標值，Jf是偏差函數值，TOTAL_CNT是總步長數。其次給出數字積分法第一象限圓弧插補程序流程圖，其中JVX、JVY分別是XY軸的被積函數寄存器，JRX、JRY分別是XY軸的余數寄存器，JX、JY分別是XY軸的總步長數寄存器。逐點比較法直線插補程序設計流程圖：

二、主要成果

將逐點比較法直線插補程序按照VHDL語言編寫格式輸入到Maxplus2軟件中，并仿真波形，可得到XY兩軸的脈沖進給信號輸出情況。這里初始化要插補的直線終點坐標為（5，7），起點為原點，直線在第一象限。X軸方向脈沖進給個數為5個，Y軸方向脈沖進給個數為7個。且各軸的進給脈沖先后順序如圖2所示，符合理論推導的結果。

本次設計研究，對我校教師的學習能力、設計動手能力是一次提高，同時也能提高學生對時序邏輯電路的認識。針對插補原理單獨設計程序，使學生了解VHDL（硬件描述語言）在FPGA（可編程邏輯門陣列）的使用方法，能開拓學生的視野。