（电工理论与新技术专业论文）基于fpga的嵌入式同步控制系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼鼍曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼兰! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼i i iii = i = i = m ：m 曼曼皇量皇曼鼍曼曼鼍曼皇曼皇曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼邑曼曼曼曼曼曼曼 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，i t sp o s s i b l et od e s i g na l l e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nf p g a r e c e n ty e a r s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g ys y s t e mw h i c ht a k e s a p p l i c a t i o na sc e n t e rh a sd e v e l o p e d ，i t sc h a r a c t e r i s t i ci sf l e x i b l e ，a u t oa n df a s tw h i c hc a nb e a p p l i e di nr e a l t i m ea n dm u l t i t a s k i n gi n s t a n c e a so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n tt h e s y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mc o n t r o l se l e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o nd e v i c e t h er e l i a b i l i t ya n d s y n c h r o n o u sd e g r e eo fs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mg r e a t l yi n f l u e n c et h ee f f e c to ft h ed e v i c e a f t e rs t u d y i n gt h et e c h n o l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o n , c o m b i n i n gt h ep r e s e n t l y r i s i n ge d at e c h n o l o g ya n dt h et r a i to fl a r g ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e , t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dap r o j e c to fd e s i g n i n gt h ee m b e d d e ds y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 1f p g a t h ep a p e ri l l u m i n a t e st h ep o i n t sa n dt h ed o m e s t i c & o v e r s e a sa c t u a l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i c p r o p u l s i o nt e c h n o l o g y , g i v e st h ea n a l y s i so fp r o p u l s i o np r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u si n d u c t i o n c o i l ，d i s c u s s e sd i f f e r e n ts y n c h r o n o u sc o n t r o lp r o j e c t sa n db r i n g su pas i m p l i f i e do n e t h e f u n c t i o n a lp a r t i t i o no fs o f t - w a r e h a r d w a r ei sd i s c u s s e d ，t ! a ew h o l es y s t e mi sp a r t i t i o n e di n t o h a r d - r e a lt i m ep a r ta n dn i o si is y s t e m , t h es y n c h r o n o u sc o n t r o lu n i tb e l o n g st oh a r d - r e a l t i m ep a r t , a n dn i o si is e t t l e sl o wr e a lt i m et a s k1 i k e sc o m m t m i c a t i o na n da l t e r n a t i o no fm a n a n dm a c h i n ee t c h a r d - r e a lt i m ep a r tn a m e l y p r o g r a m m a b l el o g i cu n i t s ，a p p l y st h e t o p - d o w nd e s i g n i n gm e t h o d , 垂y e st h ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l to ft h ei m p o r t a n t m o d u l e s t h en i o si i s y s t e mi sb u i l tb ys o p cb u i l d e r t h e nd e s i g n st h ec o r r e l a t i v e i n t e r f a c et of o r mh a r d - r e a lt i m ep a r ta n dn i o si is y s t e ma sac o h e r e n tw h o l e ，a n df i n i s ht h e w h o l es y s t e m a tt h ee n d ，t h ef u n c t i o no fs y n c h r o n o u sc o n t r o la n dm e a s u r e m e n to fv e l o c i t y i sv e r i f i e d , a n dt h ec o r r e l a t i v em e a s u r e so f r e l i a b i l i t yd e s i g na r ea l s od i s c u s s e d b o t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d ys h o wt h a tt h es y n c h r o n o u sc o n t r o l s y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sg o o dp r a c t i c a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y ，a n dg a n i n c r e a s et h e c a p a b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o nd e v i c e k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o n ；s y n c h r o n o u sc o n t r o l ；f p g a ；n i o si i 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密幺使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：彦嘴 指导老师签名：哩髯l 日期：2 - o l 口罗驾 日期：沙or 谚 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本论文针对感应型线圈推进装置，对不同的同步控制方案进行了对比研究，提 出了具有高速响应性能的改进型控制方案。 2 结合当今发展迅速的可编程逻辑器件，根据嵌入式设计理念和软硬件协同设计 的思想，设计实现了感应型电磁推进装置的同步控制系统，并进行了相关的仿真和实 验研究。提高了感应型电磁推进装置的控制精度，减少了电磁推进实验的工作量并提 高了装置的性能。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：彦欠嫣 日期z o l o 岁。窃 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 同步控制简介 电磁推进是一种新型加速技术，具有一些与众不同的优越性，但其发展一度受到 电力电子技术、交流调速技术、控制技术等多方面的制约，发展比较缓慢【l 捌。自上世 纪8 0 年代以来，随着脉冲功率技术、软开关技术的发展以及电力电子器件性能的不断 提高，电磁推进技术在装置、重量、速度、大功率电源等方面的研究取得了一系列成 果。而同一时期，控制技术的发展也产生了质的飞跃，从传统的模拟控制器转向数字 控制器发展。数字控制器经历了8 位微机、1 6 位微机到3 2 位微机和高速数字信号处 理器四个阶段的发展，实现了系统的全数字化控制，不但使控制电路大大简化，改善 了系统的可靠性、可使用性、可维修性，而且使推进系统的功能更加完善，使用更加 方便【3 筇】。控制技术的飞速发展使得电磁推进技术的研究范围不断向自动化、智能化、 模块化方向拓展，实现高可控、多功能成为可能。同时，电磁推进技术也对控制技术 的发展起着推动作用，尤其是新一代电磁推进技术的日益成熟，使得控制技术在同步 性能、精确度的要求上面临着前所未有的挑战。 新一代电磁推进技术在其发展过程中出现了两大基本类型：轨道型和线圈型。前 者实质上是一个单匝的直线电动机，它由两条平行导轨( 初级) 、电枢( 次级) 、载荷 和电源组成。它具有能源简单、便于制造、研制周期短等优点，但由于其导轨容易烧 蚀和磨损，所以不能提供可靠的加速性能。后者可以理解为圆筒状的直线电动机，它 由若干个驱动螺线管和被加速体组成，由于驱动螺线管一般固定不动，则被加速体受 电磁力作用而运动。在相同条件下，后者具有推力大、效率高、强度大、寿命长等前 者无法比拟的优点，因此发展前景更为广阔，代表着今后的发展方向【6 1 。由于线圈型 电磁推进器工作时需要控制外部开关根据被加速体的运动位置变化而同步动作，所以 当被加速体运动速度较高时，要求推进装置有高精度的同步控制系统控制大量外部电 路开关的动作，使各开关状态与被加速体的运动状态严格同步，否则会大幅降低能量 利用率甚至导致装置瘫痪。因此同步控制一直是现今线圈推进研究的重点也是难点， 研究电磁推进装置的同步控制技术，以实现更低廉的成本、更好的性能具有十分重要 的意义。 实现同步控制的方法有多种，比较常见的有利用小规模集成电路配以光电传感器 进行控制和采用单片机作为核心器件配以外围电路进行控制。不用主控芯片的方法虽 然简单，但是灵活性差，虽然小规模集成电路具有定的优势，但无法满足精确控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 篁曼鼍曼篡曼璺皇曼毫i ii 一； i i io 舅量鼍曼量量曼量皇量皇皇皇皇曼曼曼鼍曼曼曼舅曼曼皇 的需求，且一旦电路规模过大，电路的改动和升级都将非常的麻烦。基于单片机的控 制系统是目前的电磁推进装置中应用最多的。单片机灵活性好，可根据系统的实际需 要方便地改变其控制方式，因此以单片机作为核心的控制系统在装置规模小、精度要 求低的情况下可以完成较好的控制效果，但由于其工作方式等原因，基于单片机的控 制系统在进行计算时需要消耗一定的时间，这个时间依运算的复杂程度在微秒量级至 毫秒量级之间不等，在其它对时间特性要求不高的应用领域中，这个时间相对较短， 甚至可以忽略不计，但是在对时间参数要求苛刻的电磁推进系统中，毫秒级的时间就 远远达不到要求了。可编程逻辑器件的发展为数字系统的设计带来了极大的灵活性， f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 在硬件资源、内部结构、 时间特性、稳定性能上都有先天优势，采用f p g a 进行同步控制系统的开发能弥补利 用小规模集成电路控制和采用单片机控制的缺陷。 本文针对上述传统控制方式的缺点，在结合当前发展迅速的f p g a 芯片的基础上， 对设计精度高、可控性好、可靠性高的同步控制方案进行了新的探索，实现了基于 f p g a 的嵌入式同步控制系统的设计，大大提高控制精度。减少了在线圈结构电磁推 进装置实验中的工作量，降低实验成本，提高实验效果。为感应型电磁推进装置由实 验室向工程应用方面的发展做了有益的尝试和推动。 1 2 研究背景及国内外现状 1 2 1 研究背景 目前，全世界许多国家都在积极地对宇宙空间领域进行开发和研究，特别是以寻 求新能源、合成新物质为目的的空间活动，但由于目前使用的传统的化学推进系统比 冲偏小，同时还受燃料中氧化剂的分子质量大和自然燃烧火焰温度的限制。此外，现 有的火箭推进技术还存在很大的缺陷，主要表现在：可靠性不高，飞行可靠度小于0 9 9 ； 价格昂贵，运输费用高，低轨道单位质量有效载荷约1 1 0 0 0 2 2 0 0 0 美元l 【g ；不易操作， 发射准备周期长；许多主力火箭使用有毒、有污染的推进齐u t t j 。 在此情况下，人们不断探索新的推进技术，各种新型推进技术应运而生，例如新 一代的电磁推进技术e m l ( e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ) t 8 1 。该项技术的基本原理就是将电 枢置于直线加速器或其它类似的磁场中，利用作用在电枢上的电磁力，使携带物体的 电枢获得连续向前的加速度，从而达到推进物体的目的。电磁推进技术的原理早在1 9 世纪初就己经有人提出，后经过几十年的探索与研究，人们相继研制出了各种电磁感 应原理的直线推进装置或模型，但由于受相关研究领域技术的影响，上述模型的性能 距工程使用上存在着较大的差距，但是其中一些比较有代表性的模型对推动电磁推进 技术的发展起到了较大的推动作用。例如，1 8 4 5 年查尔斯惠斯j 匿( c h a r s w h e a s t o n e ) 建 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 造了世界上第一台直线磁阻电动机，并用它把一根金属棒抛射到了2 0 米远的地方。 1 9 4 6 年美国的威斯汀豪斯电气公司建成了一个全尺寸的飞机弹射装置模型，名叫“电 拖”( e l e c t r o - p u l t ) ，采用的是初级运动的直线感应电动机原理。1 9 6 7 年，苏联的鲍恩 达列托夫等用1 米长的单极脉冲感应线圈装置把一个2 克重的铝环加速到了5k m s 9 。 七十年代以后，超大功率脉冲技术和电子技术的飞速发展使电磁推进技术有了重 大突破。具有划时代意义的研究成果是1 9 7 8 年澳大利亚的马歇尔等人，用5 5 0 m j ( 兆 焦耳) 的单极发电机作为电源和采用等离子体电枢，在5 米长的导轨上把3 克重的聚 碳酸脂物体加速到了5 9k 1 1 1 $ 的初速度，这一研究成果证明利用电磁力可以把较重的 物体推进到高速的可能性。马歇尔等人的划时代成就，使世界各地的科学家受到极大 的鼓舞和启发，由此也将电磁推进技术的研究推向了一个新阶段【l o 】。各国纷纷投入大 量人力、财力，对其进行实验研究，建立了不少实验室，美国、俄国、英、法、日、 中、以色列、德国、荷兰以及丹麦等十几个国家竞相实验研制。 在上世纪8 0 年代以前，电磁推进技术的发展主要体现在电力牵引方面。1 8 7 9 年， 德国西门子公司展示第一辆电力机车；1 8 9 2 年，第一辆由三相交流电动机驱动的电车 在柏林行驶：1 9 0 3 年，试验成功时速2 1 0 k m h 三相交流高速电机车，但因采用三相电 网不能变频变压、调速困难而止步；1 9 1 2 年，德国、奥地利、挪威、瑞典、土耳其 均相继出现单相交流电气化铁路，采用1 5 k v 、1 6 h z 的单相交流电源供电。其余国家 分别采用直流7 5 0 v 、1 5 0 0 v 、3 0 0 0 v 的电气化线路；1 9 7 8 年，德国广泛将晶闸管四象 限交流技术应用在电气牵引系统。 自上世纪8 0 年代以来，尤其是最近十年来，随着新技术、新材料的不断发展，电 磁推进技术在各个方面的研究都取得了一系列成果。以开关技术为基础的功率电子技 术不断向更高频率和智能化、模块化方向迅速发展，使得电磁推进技术的前景光明起 来。现代功率电子变换设备独有的灵活型提高了系统的可操作性并带来了很多其他优 点，如操纵性能好、振动噪声小、工作可靠、易于实现自动控制等等。 随着电力电子技术、控制技术的进步以及社会对环保、节能要求的日渐严格，电 磁推进系统在社会各方面的使用越来越广泛，逐步向高能量利用率、高速度、大功率 等方向发展。电磁推进技术与国民经济、人民生活均有密切联系，被广泛应用与冶金、 机械、轻工、矿山、港口、石化、航空航天等各个行业中。 随着各相关领域技术的不断发展和日趋成熟，新一代的电磁推进技术将在2 1 世纪 逐步走向成熟，美国、欧洲等各国为推动电磁推进技术的进步，相继建立了“电磁推 进技术讨论会制度，电磁推进会议成为观察当今世界电磁推进技术发展的窗1 2 n , 1 2 】。 电磁推进器一般包括推进器本体、被推进的组件和高功率脉冲电源三部分。推进 器本体是高功率脉冲电源的负载，高功率脉冲电源向其提供强大的电能( 电流) ，而被 推进组件由被推进的有效载荷及其承载机构组成，它在推进器本体上或内被推进器加 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 速到超高速。这三部分组成不可分割的完整系统。 由于要在极短的脉冲时间内把大质量物体加速到超高速，使其具有极高的动能， 因此，电磁推进器用的高功率脉冲电源必须储能多、快释放和大电流( 几十千安到几 兆安) 。这样一来，电磁推进器对所用的高功率脉冲电源有特别的要求，主要要求电源 储能密度高、体积小或重量轻，以便能在陆基机动或天基应用。目前，电磁推进器尚 无理想的高功率脉冲电源可供实用，人们正在从普通电容储能、电感储能和惯性储能 方式以外寻找可供电磁推进器使用的高功率脉冲电源【1 3 1 。 电磁推进器使用电能作能源，远比火箭推进剂和火炮火药的成本低；推进过程中 过程中的可控可调性和安全性，也是化学推进器不可比拟的。电磁推进器有诸多优点， 但最重要的有两条：一是它能把物体加速到超高速( 3 k m s ) ，甚至可达5 0 k m s ；二是 它加速的物体质量范围大，小至克级，大至吨级。因此，电磁推进技术在以下各个方 面都能得以广泛的应用【1 4 】。 ( 1 ) 科学实验。至少在以下两个科学实验领域可使用该项技术，其一是高压物理 领域：研究材料在高压力作用下的性质，即研究材料的状态方程，需要有超高速碰撞 的实验工具；用电磁推进器把物体加速到10 k m s 以上进行高压物理实验，无疑是一种 有效和方便的方法。其二是受控核聚变实验：目前国外许多科学家预测，倘若把小型 物体加速到5 0 k m s 以上的速度，以此攻击核聚变燃料靶，有可能引发热核聚变。直至 今日，人们尚无法把小型物体加速到5 0 k m s 的速度，今后的电磁推进器( 如导轨推进 器) ，是完成这两类科学实验的有效工具。 ( 2 ) 航天应用。主要应用在两方面，即定向推进和轨道转移。早在8 0 年代初美 国宇航局( n a s a ) 就设计了用电磁推进器向太空定向投射有效载荷的庞大计划。如拟用 多级分段的导轨推进器把放射性核废料以第三宇宙速度抛离太阳系，所需的成本仅是 用化学火箭的1 1 0 ，若使用同轴线圈定向推进，将更有效；再如用电磁推进器代 替各种推力器，把航天器从某一地球轨道转移到另一轨道，进行所谓的轨道转移。其 方法是，在太空的电磁推进器利用月球上的物质( 如土壤) 作被加速体，在加速被加 速体时产生的反作用力使推进器及固定其上的航天器向另一轨道转移。 ( 3 ) 军事应用。电磁推进器用于军事作武器时叫做电磁炮。电磁炮发射的速度可 7 比化学火炮的高几倍，因此它的杀伤力、射击精度和命中率等比现在的火炮都高得多。 目前许多国家都主要以军事目的来研制电磁推进器。在战略防御方面，可置电磁炮于 天基，用以拦截弹道导弹。在战术方面，可用电磁炮防空、反坦克、反战术导弹或作 远程火炮用，放在战车上，装在舰船上或固定在岸边炮台上均可。美国的电磁导轨炮 的样炮已做出，目前正在靶场实验，不久将装备部队。 ( 4 ) 工业交通应用。可利用线圈推进器的原理和技术，进行金属电磁成型加工， 或做成电“气锤 用于工业生产。据英国星期曰泰晤士报报道，美国科学家正在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 i _ l n m 。=7 - i _ 麓7z 鼍曼曼皇曼曼! 曼曼曼皇曼皇 利用电磁推进器原理研制一种新型高速电磁列车。这种电磁列车不是利用线圈推进器 原理制造的磁悬浮列车，而是采用导轨推进器原理，直接利用现有的火车铁轨，其成 本比磁悬浮列车低，速度比传统列车高。目前桑迪亚国立实验室在长3 6 米的铁轨上 进行电磁列车模型实验，已从静止加速到5 4 7 k m h 1 5 】。 1 2 2 国内外现状 目前，世界上已试制成功直径为0 3 米、长2 5 米的轨道式电磁推进装置，能将 3 9 - 3 0 0 9 重的聚碳酸脂塑料加速到4 k m s 1 l k m s 的速度。以美国、俄罗斯为代表的几个 国家正在开展将电磁推进技术和磁浮技术应用于航天方案及技术研究工作，主要目标 是通过磁悬浮电磁助推系统为单级入轨运载器提供一个较大的助推力，实现在短时间 内将其加速到一个高的起飞速度，然后运载器发动机点火，与磁悬浮电磁助推系统分 离后爬升入轨。美、英等国还研制了一些新的推进装置，在重量和速度等方面都取得 了一些新成果。在大功率电源研究方面，美国己研制成功的炸药发电机能提供3 0 m j 的能量，最大电流达2 5 0 m a 。此外，还研制成功一种5 m j 的单极发电机可获得1 m a 的大电流。 在我国，进行电磁推进技术的研究工作起步较晚。从8 0 年代中期开始，我国的专 家、学者作了一些理论和思想上的探索，推动了电磁推进技术在我国的发展。现在， 国内主要有七家组织在进行电磁推进装置的理论研究或部件性能单元技术的研究工 作，它们分别是：中国工程物理研究院流体研究所( s w i f f ) ，中科院等离子体研究所 ( p p ) ，南京理工大学( n u s t ) ，华中理工大学( h u s t ) ，解放军军械工程学院( o e c ) ，中 国炮兵工业2 0 8 所( t 2 0 8 c o i ) ，和西安电子科技大学( ) ( _ u ) 【1 6 】。中科院等离子体物理研究 所和中国工程物理研究院流体研究所( 以下简称流体物理所) 主要做一些与轨道推进 有关的实验。此外，流体物理所和南京理工大学作了一些电热化学推进器的实验，这 些研究主要集中在脉冲功率的供应，等离子体的产生，工作媒质选择，模型建立等。 西安电子科技大学对线圈型推进装置进行了研究。他们对抛体磁悬浮问题、磁场 与结构问题和电枢在径、轴向复合非均布电磁荷载作用下的弹性屈曲问题进行了研究 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 们。此外，中科院等离子体物理所和流体物理所也做了一些线圈型推进装置的 研究工作。中科院等离子体物理所还于1 9 9 0 年建成了一台线圈式电磁推进装置，把 4 4 k g 的有效载荷加速到1 4 n l s 【2 1 1 。1 9 9 6 年9 月，流体物理所的科研工作者在成都介绍 了一种电磁感应推进装置，把直径为6 0 m m ，质量为l k g 的抛体加速到6 0 m s 的速度， 并对电磁感应线圈装置的作用原理和系统性能进行了分析【2 2 2 3 1 。 华中理工大学主要致力于高功率脉冲电源和轨道烧蚀方面的研究，而2 0 8 所和南 京理工大学主要做一些电磁开关装置的研究。此外，国内尚有几家单位在进行电磁推 进技术的研究。以上各成果基本上代表了电磁推进技术在中国的发展现状。由于各种 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 因素的限制，我们的实验研究只能限制在一定程度上，与国外相比，还有很大的差距。 1 3 论文的组织 1 3 1 研究内容 本论文的主要内容是针对多级电磁推进装置，结合f p g a 技术、嵌入式设计理念 和软硬件协同设计的思想，研究精确的同步控制方案以及相应系统的设计。具体研究 内容如下： ( 1 ) 同步控制方案的研究和选择。针对感应型线圈推进装置的基本原理和主要影 响因素，对不同的同步控制方案进行对比研究，提出具有高速响应的控制方案并作为 本论文的设计方案。 ( 2 ) 系统的划分。基于f p g a 的嵌入式同步控制系统是n i o si i 系统+ 硬实时部分 + 逻辑电路的一个组合体，其中n i o si i 负责通讯，人机交互等实时性相对较低的任务， 把同步控制单元划分到硬实时部分，即可编程逻辑区。硬实时部分可以和n i o s i i 系统 通过自定义的接口通讯。 ( 3 ) 硬实时部分、n i o si i 系统及相关接口的设计与实现。 1 3 2 章节安排 结合相关理论和具体工作，本论文章节设置如下： 第1 章为绪论部分，介绍课题的研究背景和相关技术的国内外发展现状。 第2 章介绍了可编程逻辑器件的结构特点及未来的发展趋势。 第3 章以感应型线圈推进为例分析了其基本原理和主要影响因素，对不同的同步 控制方案进行了对比研究，并根据软硬件协同设计的思想设计了系统的整体方案。 第4 章为系统详细设计部分，介绍了包括硬实时部分各模块、相关接口及n i o s i i 系统的设计过程及仿真结果。 第5 章对设计好的同步控制系统进行实验测试，并介绍了系统的可靠性设计措施。 最后，对全文进行归纳总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章f p g a 的特点及发展趋势 2 1f p g a 概述 可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的 器件，是一种用户根据自己的需要来设计逻辑功能并进行编程后实现的器件。它为数 字系统的设计带来了极大的灵活性，因为该器件可以通过软件编程而对硬件结构和工 作方式进行重构【2 4 】。由于集成度高，设计方法先进、现场可编程，可以设计各种数字 电路，因此，在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领 域内得到了广泛应用，不久的将来将全部取代分立数字元伴2 5 筇】。经过近3 0 年的发展， 可编程逻辑器件已经从最初简单的p l a 、p a l 、g a l 发展到目前应用最广泛的c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵y o ) 【2 j 7 】。c p l d 和f p g a 都是可编程逻辑 器件，与以往的p a l 、g a l 相比，高集成度、高速和高可靠性是其最显著的优点。 f p g a 的规模较大，非常适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几 十甚至上百块通用i c 芯片1 2 8 1 。应用f p g a 可以做成一个系统级芯片，它具有可编程 性和实现方案容易修改的特点。 f p g a 还有一些其它优势。在设计过程中，设计者根据需要，可以随时通过软件 编程的方式改变器件的内部逻辑功能和管脚的信号方式。由于开发工具的通用性、设 计语言的标准化以及设计过程几乎与目标芯片的硬件结构无关，所以设计的可移植性 和兼容性很好，几乎可以应用于各种不同的f p g a 芯片 2 9 3 0 ，3 1 1 。 现在，f p g a 已应用在不同的高科技领域，如数字电路设计、微处理系统、d s p 、 通信及a s i c 设计等 3 2 】。其芯片硬件连接是以e e p r o m 、s r a m 或f l a s h 或外接 e p r o m 为基础的，设计用户可在可编程门阵列芯片及外围电路保持不变的情况下， 通过计算机重新下载或配置设计软件，就能实现一种新的芯片功能。因此，f p g a 器 件得到了越来越多的电子设计者的青睐。 2 2f p g a 结构特点 f p g a 是一种基于查找表( l u t , l 0 0 ku pt a b l e ) 技术的可编程逻辑器件，它是作 为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克 服了原有可编程器件门电路数有限的缺点【3 3 3 4 1 。图2 1 所示为典型布局的f p g a 内部 结构，大量的可编程布线资源围绕着阵列结构的可编程逻辑模块。整个f p g a 可编程 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 资源包括如下几个部分【3 5 , 3 6 3 7 】： ( 1 ) 实现组合和时序逻辑功能的可配置逻辑模块； ( 2 ) 建立信号连接的可编程互连资源( 包括通用互连资源和可编程长线等) ； ( 3 ) 提供f p g a 与外部器件接口的可编程i o 模块； i oi oi o i oi ，oi ，oi ，o i ，0 i oi ，oi ，o oi ，0i ，o 图2 - 1 典型布局的f p g a 内部结构 可编程逻辑模块有基于查找表u ，r 和基于多路选择器m u x 两大类。常见的逻辑 模块为不同数目的u j l r 或m u x 加触发器组合构成的逻辑块簇结构【3 8 】。 目前大多数的f p g a 产品采用基于u 仃的逻辑模块，u 丌的原理是由一组s r a m 单元来存储逻辑函数值，由函数输入端对这些s r a m 存储单元按位寻址以实现相应逻 辑功能，是一种泛函的组合逻辑解决方法【3 9 】。图2 - 2 给出了一个2 输入u 丌的原理图， 可见，一个刀输入的u j t 由2 ”个s r a m 单元组成，改变s r a m 单元中的配置，即可 实现所有n 变量逻辑函数。由于u j l r 具有结构规则、工艺影射方便的特点，因此非常 适合用于可编程逻辑器件的逻辑发生器【4 0 】。目前大多数的f p g a 产品采用4 输入u j t 。 一个基于u j t 的基本逻辑模块一般由u j t 加上一个或几个触发器构成，如图2 。3 所 示。 a c t e l 公司的多数f p g a 产品采用了基于m u x 的逻辑单元，与u j t 相比，这类 逻辑单元除了在结构上不同外，在实现逻辑方式上也不同，它本身不可编程，是一种 固定逻辑模块，其逻辑的实现是通过输入端和连线资源的不同连接来实现的。这种结 构的逻辑块输入端较多，消耗更多的连线开关，连线开关采用反熔丝结构。但由于反 熔丝结构的连线开关占用面积比s r a m 小很多，且电气性能好，因此这类结构能取得 的 的 吣 的 m 的 m m m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 更高的速度。这类器件由于反熔丝技术的特点，多用于要求可靠性高的场合，如航空 航天，军事领域等【4 1 1 。 ( 如矗) l 埘s 嗽嬲霉 图2 - 22 输入u j t 原理图图2 - 3 基于u j t 的基本逻辑单元 f p g a 的互连资源包括可编程逻辑模块内部的互连和可编程逻辑模块间的互连， 含有基本逻辑模块越多的逻辑块簇，逻辑模块内部互连将越复杂。图2 4 给出了f p g a 内部逻辑块簇和其周围的互连资源构成的一个基本结构图，f p g a 正是通过多次重复 这种基本结构构成的【4 2 】。 。t i 一一、 寸f l h l 。_ o - ，：；。、弱b l 正# 1l 鼻 内部互连 亭： 口t 口i 上一i 矩阵k l 7 虱b 址牺l h 丘 、。 、冒 、。一 z 妒 ， 布 线 通 道 图2 - 4 逻辑块簇和周围互连资源的基本结构 可编程f o 模块提供了f p g a 内部信号与芯片外部器件的接口，包括电压转换、 压摆率控制等。如今新型的f p g a 器件都提供高性能的f o 模块。可编程f o 模块可 提供多种不同电压标准间的转换，支持多种传输信号格式，可用作输入、输出或双向 端口。输入可设定为直接、锁存或寄存模式，输出可设定为直接或寄存模式。输出缓 冲带有畸变和翻转等控制。其中的延迟单元用以补偿时钟信号达到i o 模块前全局缓 冲引入的延迟，从而消除了外部数据引脚处数据的保存条件。f o 模块三态输出可将 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼苎鼍曼曼曼曼m mm ；m ；_ - - - - - 鼍曼曼曼皇曼皇曼曼寰詈鼍曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼皇皇蔓寰! 曼曼! 曼! 曼曼皇曼曼曼曼 输出缓冲置于高阻态。输出缓冲的翻转速率可以控制，以将非临界信号跳变时对电源 总线的瞬时影响降到最小，f o 引脚可以编程为上拉或下拉，以避免不必要的能耗和 噪声【4 3 】。 2 3f p g a 发展趋势 f p g a 在近2 0 年的时间里已经得到了巨大的发展，在未来的发展中，将呈现以下 几个方面的趋势m ： ( 1 ) 向大规模、高集成度方向进一步发展。当前，f p g a 的规模已经达到了百万 门级，在工艺上，芯片的最小线宽达到了0 1 3 f u n ，并且还会向着大规模、高集成度方 向进一步发展。 ( 2 ) 向低电压、低功耗的方向发展。f p g a 的内核电压在不断的降低，经历5 v 、 3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 的演变，未来将会更低。工作电压的降低使得芯片的功耗也大大减 少，这样就适应了一些低功耗场合的应用，比如移动通信设备、个人数字助理等。 ( 3 ) 向高速可预测延时方向发展。由于在一些高速处理的系统中，数据处理量的 激增要求数字系统有大的数据吞吐速率，比如对图像信号的处理，这样就对f p g a 的 速度指标提出了更高的要求；另外，为了保证高速系统的稳定性，延时也是十分重要 的。用户在进行系统重构的同时，担心的是延时特性会不会因为重新布线的- 改变而改 变，如果改变，将会导致系统性能的不稳定性，这对庞大而高速的系统而言将是不可 想象的，带来的损失也是巨大的。因此，为了适应未来复杂高速电子系统的要求，f p g a 的高速可预测延时也是一个发展趋势。 ( 4 ) 向数模混合可编程方向发展。迄今为止，f p g a 的开发与应用的大部分工作 都集中在数字逻辑电路上，在未来几年里，这一局面将会有所改变，模拟电路和数摸 混合电路的可编程技术得到发展。目前的技术i s p p a c 可实现3 种功能：信号调整、 信号处理和信号转换。信号调整主要是对信号进行放大、衰减和滤波；信号处理是对 信号进行求和、求差和积分运算；信号转换则是指把数字信号转换成模拟信号。e p a c 芯片集中了各种模拟功能电路，如可编程增益放大器、可编程比较器、多路复用器、 可编程a d 转换器、滤波器和跟踪保持放大器等。 ( 5 ) 向多功能、嵌入式模块方向发展。现在，f p g a 内已经广泛嵌入r a m r o m ， f w o 等存储器模块，这些嵌入式模块可以实现更快的无延时的运算与操作。特别是美 国鲇t e f a 公司于2 0 0 0 年对可编程片上系统( s y s t 锄o np m g a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 的提 出，使得以f p g a 为物理载体、在单一的f p g a 中实现包括嵌入式处理器系统、接口 系统、硬件协处理器或加速器系统、d s p 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数 字系统更是成为目前电子技术中的研究热点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章同步控制方案选择及整体设计 3 1 同步控制方案选择 3 1 1 原理综述 线圈型电磁推进器，一般是指脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有线圈的被加 速体或者磁性材料被加速体的推进装置。它利用驱动线圈和被加速体线圈间的磁耦合 机制工作，本质是一台直线电动机。其中，被加速体线圈电流为感生( 非外电源直接 馈给) 的线圈型推进装置叫做感应型线圈推进装置，它是线圈型电磁推进器中最重要 的一种，也是最有潜力和最有前途的一种【1 3 】。 单级感应线圈推进装置的结构较为简单，一般由电源、开关、驱动体和被加速体 组成。如图3 1 所示。通常驱动体线圈和被加速体线圈是同轴的，这是为了保证磁耦 合的更紧密。当脉冲电流到达驱动体线圈时，被加速体线圈交链磁通感应出一个方向 相反的环形电流，此环形电流与两线圈间的磁场相互作用产生安培力，此力驱动被加 速体向前运动。 三 一 图3 - 1 单级感应线圈推进装置结构 多级感应线圈型推进装置是由上述多个单级单元串列而成的。每当被加速体到达 驱动体的适当位置时，使该驱动单元放电，其磁场在被加速体线圈内变化，以感生电 流。驱动体是分立的，一般每个驱动体都有各自的独立电源，并由开关同步转换。因 利用同步放电和被加速体线圈内磁通变化感应加速，故称为同步感应线圈型推进装置。 其每一级放电时的等效电路如图3 - 2 所示【4 5 】。多级感应线圈型推进装置是本论文所研 究的同步控制系统的主要针对对象。 若干个驱动体固定，被加速体最初位于第个驱动体中间偏右的位置，先给第一 个驱动体馈以脉冲电流厶，被加速体线圈产生感应电流厶，由于j 。与，。反向，两者相 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 互排斥。驱动体虽然受向左的排斥力，由于固定而保持不动。被加速体线圈受向右的 排斥力，但是由于没有固定而被加速向右运动。当被加速体线圈向右越过驱动体2 的 中心线后，再让驱动体2 通以脉冲电流，那么被加速体线圈又再次被感应出和驱动体 电流厶反向的感应电流，又再次收到向右的排斥力，继续被加速。于是，被加速体 线圈就这样持续加速运动。 r 1 图3 - 2 线圈放电等效电路 3 1 2 主要影响因素分析 为了分析影响推进效果的因素，需要探讨装置运行时被加速体的受力情况。对被 加速体线圈的受力计算，可采用电感法。在分析被加速体受力时，由于被加速体具有 一定的长度，而感应电流在该被加速体中沿轴向分布是不均匀的，为了便于研究，应 将感应电流在被加速体线圈分为m 个小薄片，认为每个薄片上的电流为均匀分布，这 样就将一个连续的被加速体线圈看成一个由许多相互独立的单个闭合线圈叠加而成。 那么，理想情况下同步感应线圈型推进装置中的总储能为： 既= 寺三，r + l ，l o ，；+ m 。，厶 ( 3 1 ) 根据力是运动方向上的能量梯度原理，在不计其他能量损失的情况下，t 时刻推 动被加速体线圈的轴向力可表示为： 阶警= 喜掣以蝴) ( 3 - 2 ) 其中i o 为驱动体电流，l o 为驱动体电感，厶、l ：、l 埘分别为被加速体每个薄 片的电感，m 。、m 0 2 、m o 朋为驱动体和各个薄片之间的互感。由式3 1 可以看出， 被加速体线圈沿轴向的加速力与互感梯度成正比，而且加速力的方向决定于电感变化 梯度的方向，当被加速体处于驱动体不同位置时，其所受的加速力不同，而且有出现 负加速力的可能。因此若触发位置也即触发时刻选择不当，将会严重影响被加速体线 圈的速度以及推进装置整体的效率。实验装置运行时，在被加速体处于驱动体中部时 露器器 1 2 m 瓢 k 魄 l h d 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曼曼曼曼曼量曼曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼皇i iim ii 一 一一 i 毫曼曼曼曼 触发电路放电，驱动体电流的变化曲线如图3 3 所示，相应的被加速体受力变化曲线 如图3 _ 4 所示。 0 00 20 40 80 81 01 21 41 6 t 巾咖 图3 - 3 电流变化曲线图3 _ 4 被加速体受力变化曲线 由前述理论分析可以看出，同步感应线圈型电磁推进装置的加速效果对其中任一 级而言主要由以下几点来决定： ( 1 ) 被加速体线圈长度、材质及与驱动体的耦合状况。从耦合角度来看，被加速 体与驱动体之间的径向间隙应该尽可能小，以利于耦合。 ( 2 ) 驱动体中的脉冲电流大小及变化率。驱动体中脉冲电流越大，电流变化率越 快，被加速体线圈的感应电流就越大，其所受到的加速力就越大。 ( 3 ) 放电时刻的设置。同步感应线圈型推进装置效果的好坏以及整个系统的能量 利用率在很大程度上取决于放电时刻的选择。由前面分析可知，被加速体线圈在大部 分已越过驱动体中心线后电源才能向驱动体放电，而此时该被加速体线圈才能整体受 到正向加速力的