片上可重构网络化运动控制器体系结构研究

运动控制器在工业、国防和人们的日常生活中，有着广泛的应用。然而，目前常用的运动控制器体系结构存在很多缺陷，如体积过大，不支持网络通信，硬件一旦固化则不能改变等，从而导致运动控制器之间相互孤立，系统升级过程中大量资源浪费。为了解决这些问题，本文对运动控制器的体系结构进行了研究。 本文首先分析了目前运动控制器常用的体系结构，指出了它们在体积、通信协议、灵活性方面的不足。针对运动控制器的数据安全性、性能可伸缩性和功能可扩展性等方面的要求，提出了一种新的片上可重构的网络化运动控制器体系结构，在新的体系结构中将功能划分为独立的模块，采用标准开放的HTTP协议作为应用层数据传输协议，使用硬件加密IP核来加强数据安全性，以及利用硬件IP核来产生电机控制信号。 为了验证这种体系结构的可行性，利用系统芯片设计技术、硬件可重构技术和嵌入式Internet技术，在Altera公司的Nios系统开发板上实现了一个片上可重构网络化运动控制器原型系统。在构造原型系统的过程中，本文研究了Nios系统中用户自主设计IP核的基本方法和流程，提出了一种新的IP核快速设计方法，即在已有IP核的基础上进行用户逻辑电路设计，并将该方法应用到硬件加密IP核的设计。同时，用Verilog硬件描述语言设计实现了两个硬件IP核，分别用于直流电机和步进电机的控制，并将实时操作系统uc／os-Ⅱ引入原型系统中，以保证系统的实时性能。 最后搭建了一个测试平台，用Visual C++开发了一个测试环境所必须的具有加密功能的ActiveX控件，从远程控制和硬件可重构两个方面对原型系统进行了测试。结果表明：用户能够通过浏览器发送命令，实现对电机的远程控制，并且通过替换硬件IP核，实现对不同类型电机的控制。测试结果验证了所提出的体系结构具有较好的性能可伸缩性及功能可扩展性。