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　　LAB主要用于逻辑电路设计,一个LAB包括8个逻辑单元LE,每一个LAB提供4个控制信号及其反相信号,其中两个  
可用于时钟信号。每一个LE包括组合逻辑及一个可编程触发器。触发器可被配成D,T,JK,RS等各种形式。IOE提供全局的时钟及清零信号输入端口,还提供具有可编程性的各种输入输出端口，如低噪声端口、高速端口等。 

　　FLEX10K系列芯片是ALTERA公司新近推出的PLD产品。与ALTERA公司先前推出的MAX7000系列EPLD相比，FLEX10K(以下简称10K)系列具有更加丰富的内部资源(最多可达10万门)，更加充裕的可配置的I/O管脚(最多达406条)。再加上其低廉的价格，使得10K系列芯片受到越来越多用户的欢迎。 

　　基于以上原因，我们在本方案中采用ALTERA FLEX10K10，并且考虑到以后设计的连续性，我们可以无需更改硬件电路，就可以更换性能更高的、相同尺寸、相同管脚配置的ALTERA FLEX10K20。 

　　1.3 PC通信接口模块 

　　该模块选用16位的ISA总线与PC相连，CY7C133双口RAM用作数据缓冲。 

　　ISA总线的使用十分灵活、方便，而且I/O操作比较简单。虽然ISA总线的引脚多但并不是都要用到的，关键是几个固定引脚的应用，例如：I/O CH RDY、I/OR、I/OW、ALE、数据线和地址线，结合起来实现通信。

　　在本系统中，双口RAM的 PC端地址线并没有直接采用ISA过来的地址线，而是由FPGA内部地址计数器给定。这是因为，ISA总线上大部分地址都已经被PC系统分配好，直接把2K的双口RAM数据空间映射到ISA总线上并不现实；而且控制系统与PC交换的数据基本上是一系列加工点的坐标参数，采用顺序访问对性能没有影响。因此采用地址计数器方式的顺序访问，完全能够达到设计的要求。 
  
　　具体做法是：ISA地址线的A2～A9接到地址比较器74LS688，与设定好的地址作比较，74LS688的片选信号由ISA的IOR和IOW的“与”提供（IOR和IOW在ISA总线访问端口时低有效），A0，A1接到FPGA，用于选择FPGA内部4个功能不同的寄存器。ISA的ALE用于触发FPGA 内部逻辑功能，锁存ISA总线过来的信号，如图2所示。 

　　
　　当访问地址清零寄存器时，地址计数值清零；当访问地址增加寄存器时，地址计数值增加“1”。如此类推，访问不同的寄存器就对地址计数值完成不同的操作，把地址计数值直接作为地址送给双口RAM，就可以实现ISA总线访问双口RAM了。

　　1.4 输出模块  

　　输出模块采用模拟输出，经外部放大驱动电机的方案。D/A转换芯片选择DAC7744。 
 
　　DAC7744是高性能的4通道16位高速D/A，主要特点如下：

　　● 输出通道：独立4 路 
　　● 输出信号范围：0～5V；0～10V；±5V；±10V 
　　● 输出阻抗：≤2Ω 
　　● D/A转换器件：DAC7744 
　　● D/A转换分辨率：16位 
　　● D/A转换码制：二进制原码（单极性） 二进制偏移码（双极性） 
　　● D/A转换时间：≤1μs 
　　● D/A转换综合误差：≤0.02% FSR 
　　● 电压输出方式负载能力：5mA/路 

　　1.5 存储模块 

　　存储模块用于存储系统程序和数据，主要由SRAM(2片CY7C1021)和FLASH（AM29F400B）组成。外围存储电路如图3所示。 

　　该运动控制卡应用时插在工控机的ISA槽上，与上位机配合工作。首先在上位NC机输入加工曲线，由上位机做粗插补，然后把数据通过ISA接口传递给控制卡。控制卡对接收到的数据再做细插补——采用三次B样条插值,然后发送给DA，驱动电机运动。DSP通过FPGA进行脉冲计数，读出直线电机光栅尺的反馈信息，然后采用离散PID控制算法调整，以便于电机运动控制的最优化。 

　　运动控制算法的核心是先用B样条插值法把目标点进一步细化，使运动曲线更平滑，然后在运动过程中采用PID算法进行调整，最终达到高速高精的设计要求，图3给出了系统软件流程图。 

　　2.1 B样条插值 

　　目前许多先进的CAD/CAM系统都采用了B样条曲线。其特点是，可用统一的数学形式精确表示分析曲线（如直线，圆锥曲线等）和自由曲线（如均匀B样条曲线等），因而便于用统一的数据库管理、存储，程序量可以大大减少；非均匀B样条曲线定义中的权因子使外形设计更加灵活方便，设计人员通过调整具有直观几何意义的点、线、面元素即可达到预期的效果。 

　　本系统采用三次B样条曲线作为精插补算法，该算法应用在控制卡中可以得到比较满意的效果。计算过程中只需要相邻4个点的位置数据,(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，就可以构造出平滑的曲线。 

　　公式以坐标分量形式表示为： 

                

　　2.2 PID控制

　　在控制领域中，PID控制算法是一种常用的算法，PID是比例、积分、微分的缩写。PID的合理的参数估计、比较，可以通过MATLAB的传递函数模型仿真来得到。 

　　由于该系统是数字系统，采用的都是数字量，所以必须把PID算法离散化才能使用。又由于系统的存储空间有限，算法的存储空间开销不能太大，所以采用了离散化的增量式PID算法。该算法在运算过程中只需要保留最近3次的误差数据，就能够推导出下一次的输出量，节省了大量的数据空间，提高了运算速度，有很强实用价值。 

　　公式如下： 
          

　　μ( k )，μ( k-1 )分别是k和k-1时刻的输出量，在系统中体现为DA的输出量。 
　　e( k )，e( k-1 )，e( k-2 )分别是k，k-1，k-2 时刻的偏差值，在系统中体现为该时刻实际位置与目标位置的偏差。 
　　T，Td，Ti，Kp是PID公式的常量，不同的数值代表着PID系统的微分、积分、比例调节作用的强度和效果。

　　在开放式数控系统中应用基于DSP+FPGA的运动控制卡，DSP承担了CNC系统中实时性要求较高的模块功能。利用DSP高速运算能力和实时信号处理能力，采用先进的Bs  
pline插补算法，使该DSP运动控制卡具有高速、高精度的性能，结合FPGA芯片的先进技术，使该运动控制卡的集成性、可靠性大大提高。本运动控制卡目前是基于ISA总线设计的，今后将考虑把该系统移植到PCI总线上，将能进一步提高系统的处理速度能力，适应更高要求。