FPGA技術(shù)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制器

FPGA簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)成，一個(gè)FPGA包含豐富的邏輯門、寄存器和I/O資源。一片F(xiàn)PGA芯片就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。

FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可以實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計(jì)需求。其速度快，功耗低，通用性強(qiáng)，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用FPGA還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)(可以在系統(tǒng)運(yùn)行的不同時(shí)刻，按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關(guān)或時(shí)間相關(guān)的任務(wù))及硬件軟化、軟件硬化等功能。

鑒于高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制器控制規(guī)模比較大，功能復(fù)雜，故我們?cè)谘兄七^程中，在傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)控制器的基礎(chǔ)上，通過FPGA技術(shù)及微機(jī)技術(shù)兩者的結(jié)合，來全面提升控制器系統(tǒng)的性能，使整機(jī)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(shù)的先進(jìn)性。

2 控制器結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

本控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),下位機(jī)是整個(gè)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制器的核心。用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生控制試驗(yàn)機(jī)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)，反饋信號(hào)的處理，以及和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其控制功能強(qiáng)弱也直接影響著整個(gè)控制器性能的好壞。圖中波形發(fā)生器是用于激勵(lì)和保持電磁激振器的振動(dòng)。在此，波形發(fā)生器應(yīng)輸出正弦波。

3 系統(tǒng)采取的技術(shù)路線

系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)技術(shù)參數(shù)、功能要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前微機(jī)及FPGA等微電子技術(shù)，采取了以下主要技術(shù)路線：

(1)下位機(jī)是系統(tǒng)控制的核心。由于本系統(tǒng)控制規(guī)模相對(duì)比較復(fù)雜，控制對(duì)象具一定特殊性(如高頻率，高負(fù)荷等)，且牽涉到控制電機(jī)，故不采用傳統(tǒng)的8位機(jī)，而是考慮采用功能相對(duì)更強(qiáng)大，速度更快的16位機(jī)—87C196系列。

(2)激振器要求輸入波形為正弦波，試驗(yàn)的頻率范圍為80～250Hz。另外，系統(tǒng)還應(yīng)該能夠進(jìn)行掃頻試驗(yàn)。在掃頻試驗(yàn)中，系統(tǒng)以1Hz為步長進(jìn)行掃頻(粗調(diào))，再在粗調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)(以0.1Hz為步長)，以確定系統(tǒng)的共振點(diǎn)?？梢钥闯?，能產(chǎn)生精度為0.1Hz波形的電路模塊是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的一部分，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。這部分如通過單片機(jī)或其它專用芯片則不能或很難實(shí)現(xiàn)。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(diǎn)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(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，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(shí)也減少了體積;能夠按需改變波形。

(3)直流調(diào)速通過變壓實(shí)現(xiàn)，而變壓則通過采用晶閘管的可控整流器來完成。通過單片機(jī)輸出可變電壓給移相觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出可控導(dǎo)通角給可控整流器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)整。有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

(4)系統(tǒng)部分重要信號(hào)用數(shù)字濾波器濾波，該數(shù)字濾波器用FPGA實(shí)現(xiàn)。與軟件濾波相比，此方法有利于改善信號(hào)的濾波效果，且濾波速度得到很大提高。

4 部分模塊設(shè)計(jì)

FPGA部分可劃分成兩個(gè)模塊，其中正弦波發(fā)生器模塊又可細(xì)分成幾個(gè)小模塊，如圖2所示。

4.1 鎖存器設(shè)計(jì)

鎖存器用來將單片機(jī)送來的頻率數(shù)據(jù)鎖存穩(wěn)定在FPGA中，可以用片內(nèi)的鎖存器資源(或用觸發(fā)器)來構(gòu)成。