基于FPGA的NURBS曲线插补技术的研究

【摘要】：随着工业需求和人们审美水平的提高,复杂型面越来越多的应用于实体造型,NURBS凭借其在数学和算法上的良好性质得到了广泛应用,但采用传统数控加工方法加工NURBS造型设计插补数据量大,容易造成加工零件表面不光滑,加工效率低,因此开展支持NURBS曲线直接插补技术的研究已迫在眉睫。 NURBS曲线直接插补算法复杂、计算量大,提高插补速度和精度的本质在于提高插补器的计算速度。为了能开发出满足NURBS曲线插补运算速度要求的插补器,本文从插补算法和硬件平台两个方面展开了研究。 NURBS曲线插补过程主要包括两个步骤：根据插补精度反求曲线参数值和根据参数值求取曲线上的轨迹点。在分析两次计算的特征后本文提出了一种新的NURBS曲线直接插补策略：在不影响插补速度的基础上尽量减少参数值计算所用时间,允许可接受的计算误差；利用FPGA可并行执行优势采取硬件方式执行由参数值到曲线轨迹点的计算,以提高复杂计算的运算速度。 利用SOPC技术,整个系统开发在一块Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片上完成。采用软硬件结合方法,首先定制了Nios Ⅱ软核处理器,执行NURBS曲线插补预处理工作和参数值计算任务；采用Verilog HDL完成了轨迹点的硬件并行计算。为了降低通讯负担,利用FPGA内部资源实现了参数值由软核到硬件的传输。 实验中基于Nios Ⅱ IDE平台开发了人机交互界面,可以将NURBS曲线的各个参数输入给插补器,软件插补模块和硬件插补模块需要将这些参数分别保存起来,以便后续利用。 最后,对NURBS曲线直接插补系统进行了实验研究,实验数据表明,完成一次插补计算的耗时为0.5ms,缩短了插补耗时。纯软件对比方案设计实验显示,FPGA硬件执行数值计算优势明显,计算速度相对前者提高了约30倍。