（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的电动执行机构智能控制器研究.pdf

中文摘要 现场可编程门阵列( f p g a ) 具有可在线反复编程，开发周期短，并行处理， 运算速度快，集成度高，可靠性高等特点，广泛应用于数字信号处理，图像处理， 工业控制，通信等各个领域。基于f p g a 设计控制器，可以把一些接口和逻辑器 件集成进来，从而缩小了体积，减少了电路的走线，降低了功耗，提高了可靠性， 同时能够通过在线编程来修改控制器功能，缩短了开发周期，也使系统灵活，扩 展方便。由于f p g a 可以实现真正的并行处理，并且运算速度快，用它实现复杂 的控制算法可以提高算法运算速度，满足工业上的实时控制要求。 本文首先针对工业控制的一般要求，基于e p l c 6 t 1 4 4 c 8 型f p g a 设计了一 个较为通用的工业控制器，扩展了工业上常用的数字量输入输出通道，模拟量 输入输出通道，r s 2 3 2 串口等模块，并用v h d l 语言实现了对各个模块的控制。 然后，在此基础上，选用电动执行器为被控对象，加入了互锁驱动，上位机控制 显示等部分，并在q u a r t u si i 开发环境下用v h d l 语言实现了整个系统集成，搭 建了一个基于f p g a 的电动执行器位置控制研究平台，可以嵌入不同的控制算 法，研究其控制性能。最后采用同步设计技术和模块化设计的方法在f p g a 上实 现了滑模模糊控制算法。用f p g a 实现该算法可以提高算法的运算速度，满足 高速控制要求，同时用该算法控制电动执行器，可以增加系统的鲁棒性，减小抖 振，并能达到一定的精度要求，在工业控制中有一定的应用价值。 关键词：现场可编程门阵列v h d l 语言电动执行器滑模模糊控制 a b s t r a c t f p g a , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fr e p e a t i n gi n s y s t e m - p r o g r a m m a b i l i t y , s h o r t d e v e l o p m e n tp e r i o d , p a r a l l e lp r o c e s s i n g , h i g hp r o c e s s i n gs p e e d ，h i 曲d e g r e eo f i n t e g r a t i o na n dr e l i a b i l i t y , i sw i d e l y u s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g , i m a g ep r o c e s s i n g , i n d u s t r i a l c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n d e s i g na c o n t r o l l e rb a s e do nf p g ac a ni n t e g r a t et h ei n t e r f a c e sa n dl o g i cd e v i c e si n t oo n ec h i p ， t h u si t sv o l u m e ，w i r i n ga n dp o w e r d i s s i p a t i o na r er e d u c e da n d i t sr e l i a b i l i t ye n h a n c e d i t sr e p e a t i n gi n - s y s t e m - p r o g r a m m a b i l i t ym a k e st h ee x t e n t i o na n da l t e r a t i o ne a s y t h e r u n n i n gs p e e do fc o m p l i c a t e dc o n 仃o la l g o r i t h m si m p l e m e n t e do nf p g ai sv e r yf a s t a n dc a nm e e tt h er e a lt i m ei n d u s t r i a lc o n t r o ld u et oi t sc a p a b i l i t yo f p a r a l l e lp r o c e s s i n g a n df a s tp r o c e s s i n gs p e e d a tf i r s t , a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，au n i v e r s a li n d u s t r i a l c o n t r o l l e rb a s e do ne p i c 6 t 1 4 4 c 8i sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed i g i t a li n p u ta n do u t p u t c h a n n e l s ，a n a l o gi n p u ta n do u t p u tc h a n n e l sa n dr s - 2 3 2s e r i a lp o r t , w h i c ha r e e o n l m o ni ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h ec o n t r o lo fe a c hp a r ta r ep r o g r a m m e di nv h d l l a n g u a g e s e c o n d l y , a l le l e c t r i ca c t u a t o rp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf p g ai s d e s i g n , b ya d d i n go t h e rp a r t s ，s u c ha st h ei n t e r l o c kd r i v ea n dh o s tc o m p u t e r , t ot h e c o n t r o l l e rd e s i g na b o v e t h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e mi sc o m p l e t e du s i n gv h d l l a n g u a g ei nq u a r t u si i v a r i o u s l 【i n do f i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m c a nb e e m b e d d e di nt h es y s t e ms oa st os t u d yt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e so ft h ea l g o r i t h m a t l a s t , at h es l i d i n gm o d ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi si m p l e m e n t e do nf p g a , u t i l i f i n g s y n c h r o n o u sd e s i g nt e c h n o l o g ya n dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d t h es l i d i n gm o d e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mc a nr u nf a s to nf p g a ，t h u sm e e tt h eh i g hs p e e dc o n t r o li n i n d u s t r i a lc o n t r 0 1 m e a n w h i l e ，t h ea l g o r i t mc a ni n c r e a s et h er o b u s t n e s sa n da c c u r a c y o ft h ee l e c t r i ca c t u a t o rc o n t r o ls y s t e ma n dd e c r e a s et h ec h a t t e r i n g t h ed e s i g no ft h i s t h e s i sh a ss o m ea p p l i c a t i o nv a l u ei ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：f p g a ，v h d ll a n g u a g e ，e l e c t r i ca c t u a t o r , f u z z ys l i d i n g - m o d e c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘垦或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；挣j 叫签字日期：如。年，月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多籀州导师签名： 签字日期：加f 年月加日签字日期：j 一。年，月d 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1f p g a 技术的国内外发展现状 1 1 1f p g a 技术概述 可编程逻辑器件( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 是2 0 世纪7 0 年代发展 起来的一种新型的逻辑器件，其逻辑功能可以由用户根据需要，通过对器件的编 程来设计实现。设计人员可以根据设计需求，利用e d a 软件进行设计，最后把 设计结果下载到p l d 芯片上，从而完成一个数字电路或数字系统的集成设计， 具有集成度高，开发周期短，设计灵活，保密性好等优点。 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 属于高密度p l d 的一种，是一种半制定型器件，内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g t t r a b l el o g i c b l o c k ) 、输出输入模块1 0 b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三 个部分。设计者可以通过开发平台对内部的这些资源进行编程，从而实现所需的 功能。f p g a 按编程工艺分，可分为反熔丝型，s d r a m 型和e p r o m 型等。当 今市场上a l t e r a 公司，x i l i n x 公司，l a t t i c e 公司等占到了大部分的份额。“ 1 1 2 f p g a 技术的特点7 圳嗍 f p g a 作为一种新型的数字逻辑器件有如下特点： 1 集成度高：可以把原来电路板级的产品集成为芯片级的产品，缩小了体 积，减少了电路的走线，降低了功耗，提高了可靠性。 2 运算速度快：由于f p g a 用内部的逻辑单元实现所需的功能，相当于用 硬件电路实现，同时可以达到很高的时钟频率，时钟延迟也可达纳秒级，使算法 的运算速度加快，满足实时性要求。 3 并行计算：与传统的基于c p u 的并行计算不同，f p g a 内部的结构可以 实现真正的并行计算，而不是宏观上并行而微观上快速分时运算。 4 在线可重复编程：f p g a 的可编程特性使设计者能根据需求而可裁减设 计，大大缩短系统的研制周期，减少研发资金。在线可编程性可以在外围电路不 变或少量改变的情况下，只通过改变编程数据而实现系统功能的改变，同时使扩 展变得容易方便，有极强的灵活性和适应性。 第一章绪论 1 1 3f p g a 技术的发展及应用概述 f p g a 技术以其可在线反复编程，开发周期短，并行处理，运算速度快，集 成度高，可靠性高等特点广泛应用于数字信号处理，图像处理，工业控制，通信 等各个领域。圆嘲咖 f p g a 技术的发展结合了微电子，计算数学，仿真技术，人工智能与专家数 据库等多种学科。在国外发展相当迅速，渗透到了许多领域。 从工艺方面，随着深亚微米工艺技术的发展，f p g a 单片规模大大提高，可 以达到上千万门，运行速度不断提高，时钟频率可达到几百m h z ，相对功耗不 断下降，价格也大幅度降低，大大扩展了应用面和应用量。 从应用方面，高密度的f p g a 可以使处理器，存储器和逻辑器件集成进来， 形成可编程片上系统( s o p c ) 。s o p c 是一种比较特殊的嵌入式系统，它不仅是 一个由单个芯片完成系统的主要逻辑功能的片上系统( s o c ) ，更重要的，它是 一个可编程的系统，结合了s o c 和f p g a 的优势，设计、实现、扩展、升级都 非常灵活方便，并且具有软硬件在系统可编程的能力。有些高性能f p g a 芯片中 具有多个专为高性能d s p 而设计的硬件乘法器、加法器单元、高速输入输出接 口，可以方便高效的实现d s p 算法。基于f p g a 可以实现可重配置计算，这种 计算结构的硬件一般由多个可重配置的功能单元、处理器和互连结构组成。f p g a 是目前可重配置计算硬件中的关键部件，它的动态可重配置能力是可重配置计算 的实现基础，可以很容易的通过重新下载配置信息来实时改变功能，这样就可以 将多项工作利用同一个f p g a 芯片以时分复用的方式分别完成，用较小规模的 f p g a 芯片实现更大规模的数字系统。i p c o r e 是f p g a 和e d a 厂商预先设计调 试好的具有自主知识产权的功能模块。当设计某一特定应用的时候就可以象搭积 木样把需要的i p c o r e 嵌进来，实现所需的功能。i p c o r e 的开发和复用技术是 f p g a 高级应用的技术基础和强有力的支持，正在逐渐成为系统设计的重要手 段，能缩短设计周期和上市时间，降低风险，减小投入，提高系统的性能和可靠 性。m 巾1 幻 在国内，工艺方面的发展比较落后，在应用方面起步较晚，但是发展相当迅 速，应用到了汽车工业，通信，图像处理等领域，在嵌入式系统中有较广泛的应 用，有很大的发展前景。 1 1 4f p g a 的设计流程“羽“钔 f p g a 设计技术以计算机为工具，在开发平台上，用硬件描述语言或原理图 等方式完成设计文件，然后自动完成编译，综合，优化，布线及仿真，最后通过 第一章绪论 实际验证，完成设计，其基本开发流程为： 1 设计输入：用原理图，v h d l 语言， 式根据设计要求设计输入文件。 2 编译：对设计的输入文件进行综合， 生成相应的数据流文件。 v e r i l o gh d l 语言，混合输入等方 优化，并进行影射，布局，布线， 3 功能仿真：通过分析波形图验证所设计的逻辑功能是否正确。 4 时序仿真：编译后针对生成的布局，布线文件，模拟芯片真实工作时的 情况进行时延分析，定时分析，包括艄，f 。，_ ，k 等 5 器件编程：通过j t a g 、主动串行、被动串行配置等模式把数据流文件下 载到f p g a 芯片中。 6 在线校验：通过实验验证实际功能和性能，并反复修改，得出最终设计 结果。 1 1 5 v h d l 语言概述 硬件描述语言( h d l ) 是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软 件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级 描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。v h d l ( v e r y - h i g h s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i t h a r d w a r e d e s c r i p t i o i l l a n g u a g e ) 是由美国国防部1 9 8 5 年正式推出，由i e e e 于1 9 8 7 年采纳的硬件描述语言标准。它是一种全方位的硬件描述语言，包括系 统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流和行为三 种描述形式的混合描述，因此v h d l 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能， 整个白顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用v h d l 来完成。v h d l 语言 具有以下优点：( 1 ) v h d l 具有强大的功能，描述范围广，可以进行从门级到系 统级的描述、仿真和综合。( 2 ) v h d l 简洁，灵活，技术全面，有着广泛的支持， 可以用简洁明确的代码来设计复杂的控制逻辑，灵活且方便，同时也便于设计结 果的交流、保存和重用。( 3 ) v h d l 可以使编程和生产工艺相互独立，使设计不 依赖于特定的器件，从而在工艺转换时无需修改代码。( 4 ) v h d l 是一种标准语 言，可移植性好，为众多的e d a 厂商支持。圆啪1 田 1 1 6 基于f p g a 设计控制器的特点伽1 刀埘m 制 基于f p g a 设计控制器，可以把传统的基于微控制器的设计中需要用许多外 围器件来实现的接口和数字逻辑集成到f p g a 中来，这样就可以大量减少系统的 外围器件及其走线，提高系统的可靠性，也使控制器结构简单，体积减小，修改 方便，同时应用f p g a 实现控制算法能实现并行计算，且用硬件来实现算法，从 第章绪论 而能提高算法的运算速度，使一些复杂的算法也能满足实时性要求。 1 2 电动执行器的国内外发展概述 1 2 1 电动执行器及其位置控制算法概述 电动执行器是工业自动控制系统中重要的终端控制元件，广泛应用于电力， 冶金，石油，化工等许多部门的生产过程检测和控制系统。它以电为动力，把从 调节器或上位机接受到的标准信号( 4 20ma 电流信号或数字信号) 转换为 对应的机械位移( 转角，直线) 来操作调节阀、风门挡板等调节机构完成自动调 节任务。它是工业过程自动化的手脚，对自动调节系统的安全运行，可靠性及调 节品质的优劣有很大的影响。“ 电动执行器控制的关键是位置控制，要求在保证稳定性的基础上，响应快速， 过渡时间短，同时定位准确且无超调。一 常用的电动执行器的位置控制算法是p i d 算法。p i d 具有结构简单，参数易 于调整等特点。在位置控制中，由于惯性滞后影响不大，有时采用p i 调节器， 引入偏差的比例以加快响应速度，引入偏差的积分，以提高系统的稳态精度。文 献【2 4 】根据位置控制的特点提出的双模调节，其核心思想是根据偏差的大小的不 同范围来计算控制量。在偏差较大的时候，采用能快速纠偏的非线性控制作为开 始的粗定位。为了保证精度，在偏差进入较小范围内的时候，控制器由非线性控 制换成线性控制，从而保证了位置控制的快速性和精确性“。文献1 2 2 针对常规 比例控制无法消除静态误差，而积分控制能消除稳态误差却带来滞后的缺点，提 出的仿人智能比例控制，该算法不断的调整系统的给定值，使系统的输出不断逼 近期望值，在使系统响应速度降低不大的前提下提高了稳态精度。 1 2 2 电动执行器的国内外发展现状 当今电动执行器的已经向着小型化、智能化、数字化、控制功能集中化的方 向发展，同时精度、性能不断提高，成本不断降低，同时适应工业控制的网络化 发展，不断的向支持现场总线发展。翻嘲瞳瞳7 1 嘲 国外的电动执行器技术比较先进，其中有以运算放大器等为基础实现信号处 理的电子式，这种技术比较成熟，有大量产品。也有以微控制器为核心的智能型， 主要在研制开发阶段，已有部分产品，且在进一步发展中。生产厂家中比较有影 响的有德国z m g 、l a w a 、a u m a 和西门子等公司，美国的l i m i t o q e 、v a l t e k 、 k e y s t o n e 和b a i l e y 等公司。这些厂家生产的智能电动执行器功能强大，简单 第一章绪论 可靠，技术先进，代表着该领域的世界先进水平，有功能全面，智能化控制，全 面保护，智能化通讯，智能化诊断和一体化结构等特点。”1 国内生产的电动执行器性能比较落后，产品多是模拟器件控制，精度较差， 保护措旌使用继电器和机械装置，可靠性较差。其中也有一些单位在执行器智能 化方面作了一些探索，但目前仅是个别使用，没有形成产品。主要厂家有天津自 动化仪表十厂，上海自动化仪表十一厂，西安仪表二厂，大连仪表三厂等。 1 3 本课题研究内容及意义 1 3 1 本课题研究内容 本文根据f p g a 技术的发展和应用特点，结合电动执行器的发展方向，以 f p g a 为主控制器设计了电动执行器位置控制器，并加入了智能算法，提高控制 性能，在基于f p g a 的工业控制设计中作了一些探索性工作，具体内容如下： 一以f p g a 为核心设计了工业通用控制器，外围扩展了一些常用的工业控 制模块，并用v h d l 语言实现了对各个部分的控制。 二以上述设计的通用控制器为基础，加入驱动模块和p c 机等部分，设计 了基于f p g a 的电动执行器位置控制系统实验平台。 三基于f p g a 实现了滑模模糊控制算法，以提高算法运算速度，同时提高 控制精度，系统鲁棒性。 1 3 2 本课题研究意义 本文以f p g a 为控制器设计了电动执行器位置控制系统，并嵌入了智能算 法，意义如下： 一基于f p g a 开发的控制器具有运算速度快，体积小，修改方便，集成 度高，可靠性高，易扩展等优点。 二用f p g a 实现智能算法可以提高算法的运算速度，满足实时控制的要 求。本文在基于f p g a 实现复杂的智能算法方面作了一些探索性的工作，为以后 进一步嵌入其它复杂算法打下了基础。 三搭建了电动执行器位置控制系统的实验平台，为将来进一步研究和开 发智能电动执行器控制器做了基础性工作。 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 2 1 总体概述 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 f p g a 技术具有可在线反复编程，开发周期短，并行处理，运算速度快，集 成度高等特点，基于它设计控制器可以把许多需要外围电路实现的逻辑部分集成 进来，提高了系统的集成度，使系统可靠性增强，功耗降低。它的反复可编程性 可以实现面向具体应用的可裁减设计，并可以方便的进行在线修改，在外部引脚 不变的情况下，通过改变编程数据就可以实现系统功能的改变，灵活性，扩展性 好。由于f p g a 以硬件资源来实现软件算法，这样能实现真正的并行运算，并且 运算速度相当快，满足工业控制中的各方面的实时性要求。基于f p g a 实现控制 器有如下几种应用方式： 一作为d s p 等处理器的协处理器，负责外围逻辑控制部分和运算结构较为 简单而重复性高的运算部分，不占用d s p 的c p u 时间，使d s p 专注于复杂算法 运算，降低了成本，结合了f p g a 的可编程，灵活的特点和d s p 高速运算的特 点。其特点是结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，开发周期短，系 统易于维护和扩展，适合实时信号处理。 二在单片f p g a 中嵌入c p u 核及i p c o r e ，用搭积木式设计方法把整个系 统集成到一个芯片上来，同时具有可编程特性( 即s o p c ) ，可将处理器、存储 器、i 0 等系统设计需要的模块集成到一起，完成整个系统的主要逻辑功能，具 有设计灵活，可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，采 用软硬件协同设计技术。”“ 三用单片f p g a 实现控制器，在其中实现与外部器件的接口逻辑控制功 能及控制算法，内部没有c p u 核，完全用全局时钟和逻辑信号来控制整个系统， 适合于较简单的专用控制器，具有结构简单，设计灵活的特点。 本文以第三种方式设计了一个基本的通用控制器，有价格低，结构简单， 易开发等特点，能够满足一般的控制系统的要求。 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 2 2 硬件部分设计 2 - 2 1 概述 本课题以a f t r a 公司的一款中等密度的f p g a 芯片e p i c 6 t 1 4 4 c 8 为核心， 外围扩展了工业上常用的数字量的输入，输出通道，模拟量的输入输出通道， r s 2 3 2 串口模块，设计了一个相对通用的控制器，在外围加上其它特殊功能的 模块后可以完成不同应用的控制。 2 - 2 2f p g a 核心板设计嘲咖嘲 e p i c 6 t 1 4 4 c 8 是a l t e r a 公司的一款中等密度较低端c y c l o n e 系列的f p g a 芯片，内核1 5 v 供电，外部i o 可选择3 3 v ，2 5 v ，1 8 v 等电压供电，且支持 多种电平标准，可用i o 口为9 8 个。内部有5 9 8 0 个逻辑单元，2 0 个内部r a m 块m 4 k ( 4 6 0 8 b i t s ) ，共9 2 1 6 0 b i t s ，可实现f i f o ，移位寄存器，双口r a m ，r o m 等多种应用方式。内部的2 个锁相环( p l l ) 可实现全局时钟的精确设计。 根据e p i c 6 t 1 4 4 c 8 的说明文档的要求设计了控制器的核心板，即最小工作 系统。包括电源部分，晶振部分，j t a g 配置部分等，其原理图如图2 1 所示： 图2 - 1f p g a 核心板原理图 电源部分选择l ，t 公司的l t l 0 8 4 芯片，它能高效、稳定地为f p g a 芯片提 供电源，最大电流可达5 a 。内核选用可调的l t l 0 8 4 ，通过调节提供1 5 v 电压， 外部i o 口选用固定值的l t l 0 8 4 提供3 3 v 电压，可以支持l v t t l 3 3 v 和 l v c m o s 一3 3 v 等电平标准。e p l c 6 内部集成有两个锁相环( p l l ) ，用1 5 v 供 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 电，由于它属于模拟电路，对其供电时为了避免数字电路部分对它的干扰，在它 的电源和地与数字电路部分的电源和地之间用磁珠进行了隔离。 系统时钟由频率为4 0 m h z 的有源晶振通过一个全局时钟输入引脚c l k 0 来 驱动芯片内部时钟网络得到，并且通过对锁相环的编程可以产生不同频率的时钟 信号，并能修正时钟的歪斜和延迟，满足高效数字系统设计的需要。 e p i c 6 型的f p g a 在下载程序时可以选择j t a g ，主动串行，被动串行等配 置模式。由于该芯片基于c m o ss r a m 技术，需要外围存储芯片来保存编程数 据，否则掉电后数据会消失。本课题中直接通过b y t e b l a s t e r i i 下载电缆以j t a g 配置模式对芯片进行在线编程，这样做方便，简单，只需在相应引脚加上拉或下 拉电阻就可以实现，只是掉电后编程数据不能保存，需要在上电后重新下载。 对于e p l c 6 的7 8 个可用的i o 口，都引出到了端子，这样可以方便的进行 外围电路的扩展。以核心板加外围扩展板相连的设计可以提高电路板的通用性， 并可以方便调试和排除故障，给设计开发带来了很大的方便。 2 2 3 数字量的输入输出部分设计嘲咖嘲 在工业控制中，控制器往往需要处理一类最基本的输入输出信号，即数字量 ( 开关量) 信号，包括：开关的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器的吸合和 释放，电机的启动和停止等。设计数字量的输入输出模块可以方便地对对象的数 字量进行检测和控制。本文对e p l c 6 的可编程i o 口进行扩展，设计了通用的 数字量的8 路输入通道和4 路输出通道。 在工业控制中往往存在大量的干扰，为了减小干扰必须把工业现场的信号与 控制器的信号进行隔离，这样才能增加控制器的可靠性，本文用光电耦合器 t l p 5 2 1 - 4 把外部信号和输入f p g a 内部的信号进行了隔离，设计了通用型的8 路数字量输入通道，具体应用时可以进一步扩展修改，原理图如图2 2 所示： 图2 - 2 数字量输入通道原理图 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 t l p 5 2 1 - 4 的开通时间和关断时间均为l o 微秒级可以满足一般工业控制的要求。 图中只给出了一路通道，其中d 6 0 1 用于指示数字量输入的状态，d 6 0 2 ，c 6 0 1 ， r 6 0 1 用于保护。数字信号的输入缓冲部分和译码部分可以通过对f p g a 编程在 其内部实现，而无需外加数据缓冲芯片。 数字量的输出通道和输入通道类似，也必须加入隔离，原理图如图2 3 ： 图2 - 3 数字量输出通道原理图 图中各个元件的作用与数字量输入通道部分类似，数字量的输出锁存部分和译码 部分同样由f p g a 内部来实现。 2 2 4 模拟量的输入通道设计嘲口叼m 工业控制中除了数字量之外还有大部分模拟量，诸如温度，压力，流量，阀 门的开度等。模拟量的输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号转化成二 进制数字信号，经接口送往计算机。其中必须通过传感器或变送器把各种非电量 转换成为标准的电信号，比如1 5 v 电压信号或者4 - 2 0 m a 电流信号，然后才能 送到a d 转换器，转化为数字信号。本文扩展了8 路0 - - - 1 0 v 和5 5 v 可选的标 准模拟量输入通道，具有一定的通用性，原理图如图2 4 所示： 图2 4 模拟量输入通道原理图 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 其中a d 转换器选择m a x i m 公司的m x 6 7 4 a 型芯片，它是一款单通道1 2 位的 高速a d 转换芯片，功耗低，具有内部时钟和基准电压，最大转换时间为1 5 微 秒。a d 工作模式选择为较简单的s t a n d - a l o n e 模式，输入0 1 0 v 和5 5 v 可选 择，并利用多路模拟开关c d 4 0 5 1 b 扩展为8 路通道，可以进行多路巡回检 测。e p l c 6 的外部f o 口选择l 、r t t l 3 3 v 电平，而外围芯片为5 v 的c m o s 电 平，两者之间通过电平转换芯片7 4 l v c 4 2 4 5 使两者电平匹配。f p g a 通过对应 的i o 口控制选择采样通道号，并控制a d 转换器工作，然后把数字信号也通过 相应的i o 口送到f p g a 内部。 2 2 5 模拟量的输出通道设计侧1 模拟量的输出通道是工业控制实现控制输出的关键，它的任务是把计算得到 的输出数字量转换成标准的模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达 到控制的目的。本文扩展了1 路模拟量输出通道，单双极性可选择，原理图如 图2 5 所示： 图2 - 5 模拟量输出通道原理图 d a 转换器选择工业上常用的d a c 0 8 3 2 芯片，它是一款8 位的电流输出型d a 转换芯片，电流调节时间为1 微秒。d a 转换器的工作模式选择适合于连续反馈 控制的f l o w - t h r o u g h 模式，输出单，双极性可以通过跳线选择。f p g a 通过其相应 的i o 口把8 位数字信号传送给d a 转换器，然后转换为模拟信号输出。 2 2 6r s 一2 3 2 串口模块设计咖嘲 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行 通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低等特点，特别是在远 程传输时，能避免多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通 讯。r s - 2 3 2 c 接口( 又称e i a r s - 2 3 2 - c ) 是目前最常用的一种串行通讯接口。 本文扩展了两路r s 2 3 2 串口模块，便于实现f p g a 与其它设备通讯，人机接口 及程序调试，原理图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 r s - 2 3 2 串口原理图 由于f p c 谴选择的i o 口为3 3 v 电压，故选择m a x i m 公司支持3 3 v 的m a x 3 2 3 2 芯片作为串1 ：3 电平转换芯片，它有两组收发通路，最快速度可达1 2 0 k b p s 。 2 2 7 小节 本节介绍了基于e p l c 6 型f p g a 的工业通用控制器的硬件部分。在设计中 考虑到了工业控制的基本要求，电平的匹配及抗干扰措施。对于外围扩展部分的 控制主要通过编程在f p g a 内部实现。 2 3 软件部分设计 2 3 1 概述 f p g a 主要以对其内部的逻辑单元、i o 口和内部连线等可编程资源的编程 来实现特定功能，本文结合外围所扩展的各个部分的控制特点，用v h d l 语言 编写了各部分的控制程序，并从仿真和实验中验证了其正确性。 2 3 2 数字量的输入输出模块软件设计删伽嘲 外部数字信号输入到f p g a 的i o 口之后需要对信号进行输入缓冲处理，以 隔离输入和输出线路，例如三态缓冲器7 4 l s 2 4 4 ，用v h d l 语言实现类似于 7 4 l s 2 4 4 的三态缓冲功能比较简单，程序如下： l i b r a r yi e e e ； u s ei e e e s t dl o g i c1 16 4 a l l ； 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 e n t i t yd i _ b u f f e ri s p o r t ( d i n ：i ns t d _ l o g i e _ v e c t o r ( 7d o w n t oo ) ； q ：o u ts t d _ l o g i e _ _ v e e t o r ( 7d o w n t oo ) ； e r l ：i ns t dl o g i c ) ； e n dd i _ b u f f e r ； a r c h i t e c t u r eb e h a vo f d i _ b u f f e ri s s i g n a ld a t a ：s t d _ l o g i e _ v e e t o r ( 7d o w n t oo ) ； b e g i n p r o c e s s ( d i n , c a ) b e 西n i f ( e n = 0 ) t h e nd a t a = d i n ； e l s ed a t a = z z z z z z z z ； e n d i f ； q - = c l a l a ； e n dp r o c e s s ； e n db e h a v ； 该程序设计了一个输入为8 位信号d i n ，输出为对应的8 位信号q ，控制信号为 c l l 的三态缓冲器，与前面的硬件部分一起构成了通用的数字量输入通道。 当f p g a 对对象进行控制时，一般控制状态需要进行保持，直到下一次给出 新的值为止，这时输出需要锁存器，例如7 4 l s 3 7 3 ，用v h d l 语言实现类似于 它的锁存功能的程序如下： l i b r a r yi e e e ； u s ei e e e s t d _ l o g i e _ 1 1 6 4 a l l ； e n t i t yd o _ l a t c hi s p o r t ( d ：i n s t d _ l o g c _ v e e t o r ( 3d o w n t o0 ) ； d o u r ：i n o u ts t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 3d o w n t oo ) ； o e ，g ：i ns t d _ l o g i c ) ； e n dd o _ l a t c h ； a r c l l i t e c n i r eb e h a vo f d o _ l a t c hi s b e g i n p r o c e s s ( o e ，西 b e g i n i f ( o e = 0 ) t h e n i f ( g = l ) t h e nd o u t = d ； 第二章基于f p g a 的通用控制器设计 e l s ed o u t = d o u t ； e n d i f ； e l s ed o u t + e e 时，电机正转： 当e c - e 0 时，电机反转； 当一p 。8 + p 。时，电机停止。 其中( w 。，+ p o ) 为控制死区，如果不加它会使电机在平衡位置反复抖振，磨损机械 传动装置，而加入它必然带来控制精度的降低，其大小需要在控制精度和防止抖 振两方面折衷。 3 4 用v h d l 语言使整个数字系统集成 3 4 1 数字系统的设计方法 数字系统通常由三部分组成：输入输出接口，数据处理单元和控制单元，如 图3 7 所示： l 图3 7 数字系统结构示意图 输入输出接口用来实现模拟量和数字量之间的转换。数据处理单元实现所有的子 运算，即数据的传输、存储、加工和处理。控制单元产生特定的控制序列，对各 第三章基于f p g a 的电动阀位置控制系统设计 个子运算实施有效的管理和调度，使之按预定的次序进行操作。其中数据处理单 元和控制单元是数字系统的主干部分，其结构图如图3 - 8 ： 数 据 流 待处理输入数据 外部输入控制信号 处理后输出数据 输出控制信号 图3 - 8 数字系统主干部分结构示意图 控 制 流 工作过程为：控制单元根据外部输入控制信号以及反映数据处理单元当前工 作状态的反馈应答信号，发出对数据处理单元的控制序列信号；在此控制信号作 用下，数据处理单元对待处理的输入数据进行分解、组合、传输、存储和变换， 产生相应的输出数据信号，并向控制单元送去反馈应答信号，用以表明它当前的 工作状态和处理数据的结果。控制单元在收到反馈应答信号后，再决定发出新的 控制信号，使数据处理单元进行新一轮的数据处理。控制单元和数据处理单元密 切配合，协调工作，成为一个实现预定功能的有机整体。数字系统内部总存在着 反映从输入数据到输出数据变化过程的数据流和控制数据变化过程的控制信号 流，二者统称为数字系统的信息流。 数字系统的设计是从系统功能的确定开始的。用算法模型可以将系统功能视 为某种复杂运算，然后把此运算分解成若干个子运算，并由反映这些分解和变化 序列的算法来描述。在此基础上，进而选定恰当的实现方式来实现。其核心是考 虑如下问题 ( 1 ) 如何将系统运算划分为相对独立而又相互联系的子运算。 ( 2 ) 各个子运算之间的信息的流通。 ( 3 ) 如何有规则地控制各个子运算。 数字系统的设计通常由几个步骤组成：系统逻辑功能的确定，系统的描述， 算法的设计，电路结构选择，电路的实现。设计方法分为两大类：自上而下的设 计方法和自下而上的设计方法。 自上而下的设计方法把整个系统从逻辑上划分为控制单元和处理单元两大 部分，采用算法状态机( a s m ) 或寄存器级语言( r t l ) 来描述控制单元和处理单 第三章基于f p g a 的电动阀位置控制系统设计 元的工作过程。如果控制单元和处理单元仍比较复杂，可以在控制单元和处理单 元内部多重的进行逻辑划分，然后选用适当的器件以实现各个子系统，最后把它 们连接起来，得到所要求的数字系统。 自下而上的设计方法是一种试探法。设计者根据自己的经验将规模大，功能 复杂的数字系统按逻辑功能划分为若干子模块，一直分到这些子模块可以用经典 的方法和标准的逻辑功能部件进行设计为止，最后把整个系统安装，调试，达到 设计要求。 当今现代数字系统设计方法主要是基于e d a 技术的自上而下的设计方法， 本文就在a l t e r a 公司的e d a 软件q u a r t u si i 开发环境下，用v h d l 语言通过自 上而下，模块化设计的方法设计了电动执行器数字控制系统。 3 a 2 整个数字控制系统的集成 本系统以e p l c 6 型f p g a 为目标载体，在q u a r t u s i i 开发环境下用v h d l 语言进行整个数字系统的单片集成，包括设计、仿真和实现。 一数据采集部分鲫删 数据采集部分包括a d 采样控制部分和数字滤波部分，它通过控制1 2 位 a d 转换器m x 6 7 4 a 得到电动执行器位置的1 2 位数字信号，再通过一阶惯性滤 波进行数字滤波，然后把得到的1 2 位数字信号给到控制算法部分和串口发送部 分。 e n t i t ya d i s p o r t ( c l k ：i ns t dl o g i c ；一系统时钟信号 r c ：o u ts t d _ l o g i c ；一a d 转换控制信号 s t s ：i ns t d _ l o g i c ；一a d 转换状态信号 a dd a t a ：i n s t d _ l o g i cv e c t o r ( 11d o w n t oo ) ；- - a d 转换的数字信号 f b k ：i n s t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 11d o w n t