安徽能源技术学校 安徽合肥 230061
摘要：在Maxplus2_10.0开发平台上，运用硬件描述语言VHDL设计数字积分法直线插补程序、数字积分法圆弧插补程序。
关键词：超高速集成电路硬件描述语言；插补算法；现场可编程逻辑门阵列
1 前言
FPGA是科学试验、小批量产品生产的最佳选择器件，其内部功能可通过VHDL硬件描述语言编程实现。VHDL语言是超高速集成电路硬件描述语言。它是实现硬件电路设计软件化的重要语言工具，实现了将数字系统的设计直接面向用户，根据系统的行为和功能要求，自上而下地完成相应的描述、综合、优化和验证，直到生成专用器件。FPGA 的优点是可以实时地对外加或内置的RAM或EPROM编程，实现现场可编程（基于EPROM 型）或在线重配置（基于RAM型）。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑块的规模、内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异较常用的是Xilinx和Altera公司的FPGA器件。本文选用的是Altera公司FLEX10K 系列的器件。
本文中VHDL编程采用Maxplus2_10.0开发软件，Maxplus2_10.0是Altera FPGA的综合性集成设计平台，该平台集成了从设计输入、仿真、逻辑综合、布局布线、时序分析、芯片下载和配置、功率分析等几乎所有设计流程所需的工具。编程及仿真过程如下：1）创建一个新的工程项，即创建一个模板；2）为工程项建立VHDL新资源；3）编写程序，编写程序时要注意区分变量和信号。变量只能在进程语句、函数语句和过程语句结构中使用，它是局部变量，变量的赋值是立即生效的。信号是电子电路内部硬件连接的抽象，它除了没有数据流动方向说明外，其他性质和端口一样，信号是全局变量，可以用于进程之间的通信，但是信号量的值是将进程中最后所代入的值作为其最终代入值；4）仿真模型，首先创建一个WaveForm波形源文件，包括初始化输入与生成预期的输出响应两步。最后使用Simulator进行功能仿真。
2 该设计所做的主要工作
2.1 数字积分法插补原理
本次设计涉及到数字积分法（直线插补和圆弧插补）原理。由于篇幅限制，这里只简单说明数字积分法直线插补算法原理中偏差函数的设计（下面章节中也只讲这种插补方法）。
数字积分法直线插补算法原理中偏差函数的表达最为重要。程序通过对偏差函数值的判断输出X轴或Y轴的脉冲进给信号。采用递推算式求取偏差函数值，设第i次插补后，偏差函数为
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，若
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≥0，刀具应向（＋X）方向进给一步，新动点坐标值为
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、
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，则新偏差函数为
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；当
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＜0时，刀具应向（＋Y）方向进给一步，新的动点坐标值为
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、
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，则新偏差函数为
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。最后进行总步长数法判别，控制刀具到达终点。
2.2 数字积分法直线插补程序设计
数字积分法直线插补程序设计流程图：
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图1 数字积分法第一象限直线插补流程图 图2 各轴的进给脉冲先后顺序图
给出数字积分法第一象限直线插补程序流程图，从图1可知在进行直线插补时，先开辟两个被积函数寄存器Jvx、Jvy分别存放终点坐标值XE、YE，还有两个余数寄存器Jrx、Jry。然后，当脉冲源没发送一次脉冲信号，X轴积分器和Y轴积分器各累加一次。当累加结果超出余数寄存器容量
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时，就产生一个溢出脉冲
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或
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。这样，经过
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次累加后，每个坐标轴溢出脉冲的总数就等于该轴的被积函数值（XE和YE），从而到达坐标终点。
3 主要成果
将数字积分法直线插补程序按照VHDL语言编写格式输入到Maxplus2软件中，可得到数字积分法直线插补仿真模块。这里初始化要插补的直线终点坐标为（4，6），起点为原点，直线在第一象限。由图4-12可知道，X轴方向脉冲进给个数为4个，Y轴方向脉冲进给个数为6个。且各轴的进给脉冲先后顺序如图2所示，符合理论推导的结果。
4 结束语
通过本次设计研究，让授课教师进一步掌握插补原理的模块化使用，对我校教师的理论知识水平和设计动手能力是一次提高，为以后更好得从事数控加工技术教学工作打下扎实的基础；同时也能提高学生对时序逻辑电路的认识。让学生了解数控加工中，直线和圆弧是构成被加工零件轮廓的基本线型，也是使用频率最高的两种线型，针对插补原理单独设计程序，使学生了解VHDL（硬件描述语言）在FPGA（可编程逻辑门阵列）的使用方法，能开拓学生的视野。
参考文献：
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