基于ARM+CPLD的多通道液压伺服控制系统研究.doc

基于ARM+CPLD的多通道液压伺服控制系统研究 张琳吴学杰黄鸿国 （西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031） 【摘要】电液伺服控制系统中已广泛运用于各种工业领域。在ARM技术CPLD技术日益成熟的今天，运用CPLD控制数据采集的多通道的液压伺服系统实现了采样通道数量选择的同时提高了运行速度和采样数据的稳定度。运用网络通讯和交换机使得传输速度更快，并实现了更多通道的扩展。 关键词液压伺服控制；cpld；arm；多通道 0引言 电液压伺服控制系统作为一种工业控制系统，由于其响应速度快，负载刚度大，控制功率大等优点，被广泛的运用于工业生产当中。而本文中的控制系统对液压伺服阀进行控制从而完成对涡扇发送机的重要承力构件中介机匣的加载试验和疲劳试验。它将控制系统提供的电量信号变换为液压伺服阀阀芯的运动，而阀芯的运动能够控制流经该作动器的液压的流量和压力，每个通道具有载荷、位移两种控制方式。 1系统硬件组成 当下微处理器ARM的应用越来越广泛，由于其在工业自动化控制、汽车、军事、信息家电等领域运用的成熟运用和相对工业计算机成本低的特点，我们选用STM32F407ZGT6作为我们的CPU控制芯片，该伺服控制系统每台控制器一次最多能够控制16个加载点，通过交换机和网络通信可以实现在一个上位机操作下多个控制器同时工作，使之控制更多的加载点，提高工作效率。该控制系统的硬件电路设计主要包括三个方面，即前向通道、后向通道和网络模块。其中，前向通道包括输入信号的滤波、放大和A/D转换，后向通道包括颤振值、阀平衡值和控制量的转换、叠加和功率放大等模块。网络模块负责PC机和控制器之前的通信。 由于单个控制系统需要控制1到16个液压通道，并需要实现对采样通道的选择和单个通道进行放大倍速的选择等的功能，为了节约CPU工作运行的时间，提高控制器工作的控制效率。故在本文中采用了采用CPLD+FIFO控制的方案。 该控制系统的硬件系统组成如下： 2CPLD内部逻辑实现 在整个控制系统中，系统的数据采集部分是非常重要的，而其中的A/D转换部分的转换精度、转换速度和稳定性对整个控制系统的性能产生了决定性的影响。目前，一块AD板上有4个ADG408多路选择器芯片，用来选通32个模拟量通道，而通道数量通道选择的设定，使得系统在多种运用状态下都能以最优化的运行模式进行，数据的采集可根据现场条件通过对上位机软件操作任意选择8通道，16通道，24通道，32通道采集数据的模式，并在采集数据的过程中每8个通道重复采集一次。 CPLD的内部逻辑是通过verilog语言编写，其程序在isplever下编译和调试，除了顶层模块外，另外还有8个小的功能模块，它主要由一个指令译码模块、两个锁存器模块（Reg2，Reg3）、两个15位计数器模块（cdu14和cdu16）组成。指令译码模块包括若干5与门模块（and_5）、一个三-八译码器模块（decoder3_8）。 由于从选通多路开关的某个通道，到该通道输出有效的时间大约为280ns，根据系统时钟频率，CPLD计数器Q8:6可用于实现单个多路开关的通道选择。而Q11:10控制各多路开关的片选。Q9不参与使用可以实现对8个通道的重复采样。 而若想实现对通道数量的选择，由STM提供一个3位二进制的QIN，当需要8个通道采集数据时QIN为001，需要16个通道时为010，以此类推24个通道，32个通道情况。CPLD的计数器Q11:10控制多路开关的片选，通过设置，当CPLD12:10等于QIN时即停止计数，计数器复位清零。 多通道选择后的信号由管脚VIN输入，它的片选信号AD976CS和读/转换信号R/C均由CPLD产生，BUSY信号由AD976A芯片内部产生，输出到CPLD。AD976A有两种转换模式，一种是由R/C控制，一种是由CS控制，本系统中选用的是由CS来控制。而根据AD转换工作的时序图R/C信号应当在CS脉冲（50ns宽度）的下降沿到来之前至少10ns变为低电平，以便应用于ADC的转换，根据仿真得到的多路开关的启动时间、写FIFO信号、AD的片选信号和AD的读/转换信号之间的时序关系，可以知道AD的片选时间比多路开关的选通时间有所延迟，经过仿真看出他们其大小相同并延长了9个时钟周期（这9个时钟延迟的实现是通过在CPLD内部设计了两个计数器Q和P，当Q计数到8时，P才开始计数），这是出于对多路开关时序方面的考虑。再来看AD芯片的读/转换信号OVER的低电平比AD芯片片选信号ADCS的低电平早1个时钟周期（这一个时钟周期的延迟是通过D触发器实现的），由于系统时钟为8.35MHZ，所以片选信号延迟了约120ns,满足了芯片转换要求的至少10ns的要求，因此这个设计也是合理的，能够满足AD转换的要求。 3系统软件设计 系统软件设计主要分为上位机软件设计和下位（下转第140页）（上接第11页）机软件设计，上位机的用户界面用户界面的监控程序在Delphi7下编译和调试。上位机需要完成的功能有：对传感器的标定、设置阀平衡值、设置颤振值、设置各控制参数、设置网络参数、发送各参数和命令至下位机、接收并处理下位机上传的数据、显示采集的各通道数据和显示各通道的控制状态等，而下位机软件的设计包括数据采集的程序实现、LwIP通信的实现、控制器控制算法的实现。数据采集部分由CPLD直接控制，LwIP通过网络调试助手进行调试,限于篇幅，文中不予阐述。 下位机需要完成的任务有：对网络模块接收到的数据进行处理，对AD模块采集的数据进行处理，计算需要向各作用点输出的控制量，向PC机发送各传感器的数据、各作用点和系统的工作状态。控制器程序的初始化操作包括：外部总线的初始化；初始化以太网模块的引脚、时钟、MAC控制器和DMA控制器；初始化LwIP协议栈，启动系统的看门狗功能；开关量的输入检测和状态输出。 4结束语 本文对基于ARM+CPLD的多通道液压伺服控制系统进行了研究和设计。首先，根据系统的功能，对整个控制系统进行了总体设计，根据控制器需要完成的功能，为每台控制器设计了能同时处理32个通道的信号调理板，32通道的A/D数据采集板、16通道的D/A控制量输出板，并采用网络通信模块。为了提高控制器的处理速度以及完成在多种坏境下数据的快速稳定，A/D数据的采集由CPLD完成。试验证明，该系统的速度快，稳定性好，抗干扰能力强，能够应用于实际工作中。 参考文献 1黄鸿国.基于LwIP通信的电液伺服控制系统J.计算机光盘与应用,xx:62-64. 2冯国南.现代伺服理论的分析与设计M.机械工业出版社,1990:13-17. 3高礼忠.FIFO在高速数据采集系统中