基于FPGA技術(shù)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1簡介

現(xiàn)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(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，故我們在研制過程中，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)的控制信號和數(shù)據(jù)，反饋信號的處理，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)模相對比較復(fù)雜，控制對象具一定特殊性（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)。可以看出，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。

4.2運(yùn)算器設(shè)計(jì)

運(yùn)算器是用來將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成正弦波點(diǎn)與點(diǎn)之間的定時(shí)數(shù)據(jù)。該運(yùn)算器實(shí)際上最終可轉(zhuǎn)換成一除法器。該除法器描述如下：

—VECTOR（WIDTH—R-1 DOWNTO 0））；

END COMPONENT；

上述描述實(shí)際上是調(diào)用了Altera公司的參數(shù)化模塊庫（LPM）中的一個(gè)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(yùn)算的結(jié)果，所以應(yīng)將remainder與denominator/2相比較，實(shí)際結(jié)果應(yīng)在比較的基礎(chǔ)上決定加1還是不加1.

4.3定時(shí)器設(shè)計(jì)

定時(shí)器根據(jù)運(yùn)算器傳來的定時(shí)數(shù)據(jù)定時(shí)。它可以通過對基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，就觸發(fā)波形的輸出。

設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)計(jì)數(shù)模塊來同時(shí)計(jì)數(shù)，一個(gè)模塊計(jì)數(shù)時(shí)鐘的上邊沿，而另一模塊則計(jì)數(shù)時(shí)鐘的下邊沿。這樣相當(dāng)于使系統(tǒng)時(shí)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(dāng)定時(shí)器滿足定時(shí)要求觸發(fā)后就輸出此時(shí)的正弦值，多個(gè)點(diǎn)的觸發(fā)輸出就形成了一個(gè)正弦波。

為節(jié)省芯片資源，這部分求某時(shí)正弦值的功能不采用構(gòu)造運(yùn)算器來算出正弦值，而是利用查表結(jié)構(gòu)。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系列就用查找表結(jié)構(gòu)（LUT）來構(gòu)建片內(nèi)ROM或RAM.在工程文件中創(chuàng)建RAM或ROM塊以后，可以通過將各時(shí)刻的正弦值（以ASCII字符表示）寫進(jìn)MIF文件（初始化文件）中，從而存儲在RAM或ROM塊中。在定時(shí)器觸發(fā)后生成該時(shí)的地址，通過查詢該RAM或ROM塊就可輸出該時(shí)得正弦值。

5芯片的具體實(shí)現(xiàn)

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(gè)模塊（圖1虛線框部分）用VHDL語言描述并輸入，由軟件自動(dòng)編譯、綜合、布局和布線，生成編程用的數(shù)據(jù)文件，加載到FPGA的配置存儲單元。對FPGA芯片進(jìn)行配置可有多種模式，由于本系統(tǒng)中有單片機(jī)，所以采用串行從模式，省掉了用一片EPROM來存儲編程數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)將存在其內(nèi)部的配置數(shù)據(jù)送到FPGA內(nèi)部存儲單元中。

這個(gè)技術(shù)基本上多運(yùn)用于電路方面。