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德晋贵宾厅FPGA技术高频疲劳试验机控制器

  现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性,又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。

  FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列构成,一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。

  FPGA的结构灵活,其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程,可以实现任何逻辑功能,满足各种设计需求。其速度快,功耗低,通用性强,特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构(可以在系统运行的不同时刻,按需要改变电路的功能,使系统具备多种空间相关或时间相关的任务)及硬件软化、软件硬化等功能。

  鉴于高频疲劳试验机控制器控制规模比较大,功能复杂,故我们在研制过程中,在传统试验机控制器的基础上,通过FPGA技术及微机技术两者的结合,来全面提升控制器系统的性能,使整机的工作效率、控制精度和电气系统可靠性得到了提高,且操作方便而又不乏技术的先进性。

  本控制系统的总体结构,下位机是整个高频疲劳试验机控制器的核心。用于实现产生控制试验机的控制信号和数据,反馈信号的处理,以及和上位机进行数据通信。其控制功能强弱也直接影响着整个控制器性能的好坏。图中波形发生器是用于激励和保持电磁激振器的振动。在此,波形发生器应输出正弦波。

  系统在实现技术参数、功能要求的基础上,结合目前微机及FPGA等微电子技术,采取了以下主要技术路线)下位机是系统控制的核心。由于本系统控制规模相对比较复杂,控制对象具一定特殊性(如高频率,高负荷等),且牵涉到控制电机,故不采用传统的8位机,而是考虑采用功能相对更强大,速度更快的16位机87C196系列。

  (2)激振器要求输入波形为正弦波,试验的频率范围为80~250Hz。另外,系统还应该能够进行扫频试验。在扫频试验中,系统以1Hz为步长进行扫频(粗调),再在粗调的基础上进行微调(以0.1Hz为步长),以确定系统的共振点。可以看出,能产生精度为0.1Hz波形的电路模块是整个系统设计中很关键的一部分,也是设计难点之一。这部分如通过单片机或其它专用芯片则不能或很难实现。系统采用FPGA作波形发生器,德晋贵宾厅见图1中虚线框所示部分。这样做的优点是:高速(一般芯片频率至少几十兆,甚至上百兆)且能满足上述精度要求;采用数字电路实现,抗干扰性好;能把其它逻辑电路也集成至该芯片中,省掉了许多分立元件,同时也减少了体积;能够按需改变波形。

  (3)直流调速通过变压实现,而变压则通过采用晶闸管的可控整流器来完成。通过单片机输出可变电压给移相触发器,触发器输出可控导通角给可控整流器,实现电机速度的调整。有利于提高系统的可靠性。

  (4)系统部分重要信号用数字滤波器滤波,该数字滤波器用FPGA实现。与软件滤波相比,此方法有利于改善信号的滤波效果,且滤波速度得到很大提高。

  FPGA部分可划分成两个模块,其中正弦波发生器模块又可细分成几个小模块,如图2所示。

  锁存器用来将单片机送来的频率数据锁存稳定在FPGA中,可以用片内的锁存器资源(或用触发器)来构成。

  运算器是用来将频率数据转换成正弦波点与点之间的定时数据。该运算器实际上最终可转换成一除法器。该除法器描述如下:

  上述描述实际上是调用了Altera公司的参数化模块库(LPM)中的一个元件。元件描述后,只要在程序中用Generic map和port map语句映射该元件即可。所要注意的是,上述口信号remainder是numerator和denominator模运算的结果,所以应将remainder与denominator/2相比较,实际结果应在比较的基础上决定加1还是不加1。

  定时器根据运算器传来的定时数据定时。它可以通过对基准时钟计数来实现,当定时时间一到,就触发波形的输出。

  设计中采用了两个计数模块来同时计数,一个模块计数时钟的上边沿,而另一模块则计数时钟的下边沿。这样相当于使系统时钟频率提高了一倍,充分利用了系统资源。

  波形输出是当定时器满足定时要求触发后就输出此时的正弦值,多个点的触发输出就形成了一个正弦波。

  为节省芯片资源,这部分求某时正弦值的功能不采用构造运算器来算出正弦值,而是利用查表结构。象Xilinx公司FPGA芯片则可以利用CLB块来配置RAM或直接利用Logiblox来生成。还有象Altera公司的Flex10k系列就用查找表结构(LUT)来构建片内ROM或RAM。在工程文件中创建RAM或ROM块以后,可以通过将各时刻的正弦值(以ASCII字符表示)写进MIF文件(初始化文件)中,从而存储在RAM或ROM块中。在定时器触发后生成该时的地址,通过查询该RAM或ROM块就可输出该时得正弦值。

  本系统的FPGA采用Altera公司的Flex10k系列芯片。芯片利用开发软件Max+plusII将各个模块(图1虚线框部分)用VHDL语言描述并输入,由软件自动编译、综合、布局和布线,生成编程用的数据文件,加载到FPGA的配置存储单元。对FPGA芯片进行配置可有多种模式,由于本系统中有单片机,所以采用串行从模式,省掉了用一片EPROM来存储编程数据。当系统上电时,单片机自动将存在其内部的配置数据送到FPGA内部存储单元中。

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