FPGA技術高頻疲勞試驗機控制器的設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 FPGA技術高頻疲勞試驗機控制器的設計 1簡介 現場可編程門陣列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)是美國Xilinx公司于1984年首先開發(fā)的一種通用型用戶可編程器件。FPGA既具有門陣列器件的高集成度和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。 FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I/O單元陣列構成，一個FPGA包含豐富的邏輯門、存放器和I/O資源。一片FPGA芯片就可以實現數百片甚至更多個標準數字集成電路所實現的系統(tǒng)。 FPGA的構造靈活，其邏輯單元、可編程內部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可以實現任何邏

2、輯功能，滿足各種設計需求。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復雜系統(tǒng)的設計。使用FPGA還可以實現動態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(可以在系統(tǒng)運行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關或時間相關的任務)及硬件軟化、軟件硬化等功能。 鑒于高頻疲勞試驗機控制器控制規(guī)模比較大，功能復雜，故我們在研制過程中，在傳統(tǒng)試驗機控制器的根底上，通過FPGA技術及微機技術兩者的結合，來全面提升控制器系統(tǒng)的性能，使整機的工作效率、控制精度和電氣系統(tǒng)可靠性得到了提高，且操作方便而又不乏技術的先進性。 2 控制器構造及內容 本控制系統(tǒng)的總體構造,下位機是整個高頻疲勞試驗機控制器的。用于實現產生控制試驗機的

3、控制信號和數據，反應信號的處理，以及和上位機開展數據通信。其控制功能強弱也直接影響著整個控制器性能的好壞。圖中波形發(fā)生器是用于激勵和保持電磁激振器的振動。在此，波形發(fā)生器應輸出正弦波。 3 系統(tǒng)采取的技術路線 系統(tǒng)在實現技術參數、功能要求的根底上，結合目前微機及FPGA等微電子技術，采取了以下主要技術路線： (1)下位機是系統(tǒng)控制的。由于本系統(tǒng)控制規(guī)模相比照較復雜，控制對象具一定特殊性(如高頻率，高負荷等)，且牽涉到控制電機，故不采用傳統(tǒng)的8位機，而是考慮采用功能相對更強大，速度更快的16位機87C196系列。 (2)激振器要求輸入波形為正弦波，試驗的頻率范圍為80250Hz。另外，系統(tǒng)還應該

4、能夠開展掃頻試驗。在掃頻試驗中，系統(tǒng)以1Hz為步長開展掃頻(粗調)，再在粗調的根底上開展微調(以0.1Hz為步長)，以確定系統(tǒng)的共振點。可以看出，能產生精度為0.1Hz波形的電路模塊是整個系統(tǒng)設計中很關鍵的一部分，也是設計難點之一。這部分如通過單片機或其它專用芯片則不能或很難實現。系統(tǒng)采用FPGA作波形發(fā)生器，見圖1中虛線框所示部分。這樣做的優(yōu)點是：高速(一般芯片頻率至少幾十兆，甚至上百兆)且能滿足上述精度要求;采用數字電路實現，抗干擾性好;能把其它邏輯電路也集成至該芯片中，省掉了許多分立元件，同時也減少了體積;能夠按需改變波形。 (3)直流調速通過變壓實現，而變壓則通過采用晶閘管的可控整流器

5、來完成。通過單片機輸出可變電壓給移相觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出可控導通角給可控整流器，實現電機速度的調整。有利于提高系統(tǒng)的可靠性。 (4)系統(tǒng)部分重要信號用數字濾波器濾波，該數字濾波器用FPGA實現。與軟件濾波相比，此方法有利于改善信號的濾波效果，且濾波速度得到很大提高。 4 部分模塊設計 FPGA部分可劃分成兩個模塊，其中正弦波發(fā)生器模塊又可細分成幾個小模塊，如圖2所示。 4.1 鎖存器設計 鎖存器用來將單片機送來的頻率數據鎖存穩(wěn)定在FPGA中，可以用片內的鎖存器資源(或用觸發(fā)器)來構成。 4.2 運算器設計 運算器是用來將頻率數據轉換成正弦波點與點之間的定時數據。該運算器實際上終可轉換成一除法器。

6、該除法器描述如下： VECTOR(WIDTH R-1 DOWNTO 0); END COMPONENT; 上述描述實際上是調用了Altera公司的參數化模塊庫(LPM)中的一個元件。元件描述后，只要在程序中用Generic map和port map語句映射該元件即可。所要注意的是，上述口信號remainder是numerator和denominator模運算的結果，所以應將remainder與denominator/2相比較，實際結果應在比較的根底上決定加1還是不加1。 4.3 定時器設計 定時器根據運算器傳來的定時數據定時。它可以通過對基準時鐘計數來實現，當定時時間一到，就觸發(fā)波形的輸出。

7、設計中采用了兩個計數模塊來同時計數，一個模塊計數時鐘的上邊沿，而另一模塊則計數時鐘的下邊沿。這樣相當于使系統(tǒng)時鐘頻率提高了一倍，充分利用了系統(tǒng)資源。 4.4 波形輸出 波形輸出是當定時器滿足定時要求觸發(fā)后就輸出此時的正弦值，多個點的觸發(fā)輸出就形成了一個正弦波。 為節(jié)省芯片資源，這部分求某時正弦值的功能不采用構造運算器來算出正弦值，而是利用查表構造。象Xilinx公司FPGA芯片則可以利用CLB塊來配置RAM或直接利用Logiblox來生成。還有象Altera公司的Flex10k系列就用查找表構造(LUT)來構建片內ROM或RAM。在工程文件中創(chuàng)立RAM或ROM塊以后，可以通過將各時刻的正弦值(以ASCII字符表示)寫進MIF文件(初始化文件)中，從而存儲在RAM或ROM塊中。在定時器觸發(fā)后生成該時的地址，通過查詢該RAM或ROM塊就可輸出該時得正弦值。 5 芯片的具體實現 本系統(tǒng)的FPGA采用Altera公司的Flex10k系列芯片。芯片利用開發(fā)軟件Max+plusII將各個模塊(圖1虛線框部分)用VHDL語言描述并輸入，由軟件自動編譯、綜合、布局和布線，生成編程用的數據文件，加載到FPG