随着机器人技术的进步,机器人将会朝着智能化发展,这说明在机器人应用中,对机械臂位姿控制系统的研究是非常重要的。随着大规模集成电路和计算机技术的快速发展,PXI总线的高速数据传输已经成为主流的发展方向。为了提高数据的处理效率,本文设计了基于PXI总线的位姿控制系统。由于整个系统比较庞大,本文主要研究此系统的两个部分:PXI总线和位姿控制算法。主要研究内容如下:对于第一部分,由于在本系统中PXI总线完全兼容PCIe总线,因此理论研究部分直接对PCIe总线进行分析。本文具体研究了PCIe总线协议规范和拓扑结构,分析了PCIe体系结构的各层功能,确定了上位机、端点设备、交换节点、以及根联合体之间数据通信过程,为之后的基于Xilinx IP核的PXI数据通信提供了理论支撑。探索了基于Xilinx Kintex Ultra Scale FPGA硬件平台的DMA高速数据通信的实现方法,以及Root Port模型的创建和应用。深入研究了DMA/Bridge Subsystem for PCI Express(PCIe)IP核配置和使用方式,明确了基于AXI4-Stream用户接口的DMA数据通信的实现方案。对于第二部分,主要研究了机械臂运动处理中的基本内容以及机器人运动学相关知识。由于目前实现位姿控制算法的都是基于软件编程语言,为了实现硬件加速,因此本设计基于硬件描述语言verilog。基于位姿控制算法的数据处理模块包括CORDIC模块,位姿变换矩阵,速度变换矩阵,雅克比矩阵。数据处理模块完成了对多自由度的机械臂的目标位姿和关节状态的数据处理。本文主要完成了PCIe总线的电路设计和位姿控制的电路设计。在PXI、PCIe总线部分完成了AXI4-Stream读写接口的数据传输逻辑的设计与仿真,完成了基于PCIe总线对DDR存储进行相应DMA读写测试。完成了DMA速率测试,在单次数据包为8MB时,DMA传输的写速度可以达到4.19GB/s,DMA传输的读速度可以达到3.91GB/s。在位姿控制算法部分,完成了数据处理模块逻辑的设计与仿真,并基于机械臂对应的位姿状态数据通过了联合仿真测试,发现基于FPGA的硬件实现与算法的软件实现相比数据的处理速度有了明显提升,达到了机器人操作系统及开发环境研究与应用验证项目的预期要求,已经通过了初期验收。研究发现采用PXI总线实现位姿控制系统,不但能够满足实际工程中对可靠性和牢固性的需求,而且可扩展性强,能够实现加速设备的即插即用及性能扩展,未来可以实现多种智能融合的多态异构系统。