（机械电子工程专业论文）基于fpga的高频疲劳试验机控制器的研制.pdf

! ； 1 基于f p g a 的高频疲劳试验机控制器的研制 4 互5 3 4 3 摘要 | 高频疲劳试验机 材料在室温状态下的 高频疲劳试验机控制 与试验机之间的桥梁 论、微机技术以及以 f p g a 属材料试验机，是种主要用于测定金属及其合金 压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。而 用峦测验机按用户意图进行工作，充当了用户 文啷痘以高频疲劳试验机为对象，利用现代控制理 为代表的微电子技术对目前的试验机控制器进行了 改进。f p g a ，即现场可编程门阵列，是一种近期出现的可编程a s i c 器件。由 于f p g a 可以现场可编程，可以实现专用集成电路，能满足片上系统设计( s o c ) 的要求，使其日益成为系统的关键部件。本论文对f p g a 在本系统控制器中的 应用进行了研究，并研制了一种全新的基于f p g a 技术之上的控制器。 第一章阐述了高频疲劳试验机及其控制器国内外发展概况，并简述了论文 的选题意义以及研究内容。 第二章首先介绍了系统控制器主要硬件电路设计所采用的方法，即利用 h d u 硬件描述语言) 的硬件设计方法，其最大的特征是电路设计采用自上至下 ( t o pd o w n ) 的设计方法。该方法能最大程度的提高设计效率，降低设计成本。 本论文中的f p g a 芯片即是以此作为设计方法的。 第三章首先介绍了模糊控制理论及技术，并分析了模糊控制技术以及常规 p i d 的优缺点。在此基础上提出了本论文所采用的控制算法，即模糊自整定p i d 参数控制算法。该算法综合了上述两种方法的优点。该章最后具体设计了采用 该算法的控制器，并提出了实现方案。该方案使系统实时性以及资源占用得到 最大平衡。 ， 第四章具体设计了控制算法中的p i d 参数模糊推理器。钕模糊推理器利用 f p g a 来实现。用户只需通过总线传送数据至推理器，就能实时得到适合于该 时的p 驴日参数，很好的提高了控制效果。该章最后给出了模糊推理器的仿真结 果。yf 第五章详细设计了正弦波发生器及波形幅值调节电路。玲论文将正弦波发 生器以及波形幅值调节的实现用一片f p g a 来实现，减少n 空制器体积，同时 也提高了控制精度。该毒潺后部分给出了以上电路的仿真结果，验证了电路功 能以及时序的正确性。) ， 第六章设计了除以上电路之外的其它电路，包括各种检测电路、电机调速 电路、f p g a 配置电路以及主控制器电路。这些电路也是整个控制器正常工作 所必需的。该章的最后部分给出了控制器的软件框图。 第七章对本论文所作的研究工作进行了简要的总结。 。、i 关键词：高频疲劳试验机，v m 冗，f 施a ，正弦波夏乏至器，幅值调 乱枞胜触唠数严 扣廛j + 。“ 笋、是论于搿本 属拉萝 ：fj，f h 一!f ，0，p，；、 t h ed e v e l o p m e n t o fa nc o n t r o l l e r o f h i g h f r e q u e n c y f a t i g u et e s t e r b a s e do nf p g at e c h n o l o g y a b s t r a c t o n eo fm e t a lm a t e r i a lt e s t e r si sh i g h f r e q u e n c yf a t i g u et e s t e r , w h i c ht e s t st h e f a t i g u ep e r f o r m a n c eo fd r a w i n g ，c o m p r e s s i n g o fm e t a lm a t e r i a la n di t sa l l o yi nr o o m t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h ec o n t r o l l e ro f h i g h f r e q u e n c yf a t i g u ei su s e dt oc o n t r o lt h e h i g h f r e q u e n c yf a t i g u e t e s t e ra c c o r d i n gt ot h ei n t e n t i o no f u s e r s ，a n di ta c t sa sal i n ko f t e s t e ra n du s e r i nt h i st h e s i s ，an e wc o n t r o lh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yo f t h ea g e ，b yi m p r o v i n g o ne x i s t e n tc o n t r o l l e r su s i n gm o d e m c o n t r o l l i n gt h e o r i e s ，m i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，a n d t h eo b j e c to f t h i sc o n t r o l l e ri sh i g h f r e q u e n c yf a t i g u et e s t e r i nc h a p t e r 】，h i g l f f r e q e n c yf a t i g u et e s t e r ，a n das u r v e yo f p r o g r e s s i n go f i t s c o n t r o l l e rh o m ea n da b r o a d h a sb e e nd i s c u s s e d 丘r s t l y t b e nt h es u b j e c ta n dt h e c o n t e n t so f t h et h e s i sa r ep u tf o n a r d i nc h a p t e r2 ，t h em e t h o d o f d e s i g n i n g h a r d w a r ec i r c u i t so f s y s t e mc o n t r o l l e r ， am e t h o do f d e s i g n i n gc i r c u i t su s i n gh d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，h a s b e e np r e s e n t e d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h i sm e t h o di st od e s i g nc i r c u i t si nt h e f o r mo f t o pt od o w n ，w h i c h c a r li m p r o v et h ed e s i g n i n ge f f i c i e n c yt oag r e a te x t e n t ， a n dw h i c hc a i ld e c r e a s et h ec o s to fd e s i g n i n g b a s e do nt h i s ，t h er e a l i z a t i o no f s y s t e mc i r c u i t sh a sb e e nd i s c u s s e di nt h et h e s i s i n c h a p t e r3 ，t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so ff u z z yl o g i c c o n t r o lh a v eb e e n p r e s e n t e df i r s t l y ，a n dt h e nt h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so ff u z z yl o g i cc o n t r o la n d c o f p d n o np i dc o n t r 0 1 b a s e do nt h e s e ，t h em e t h o do fc o n t r o lu s e di nt h et h e s i s a m e t h o do fr e a s o n i n gp a r a m e t e r sp i df u z z i l y , h a sb e e ni n t r o d u c e d t h em e t h o d p o s s e s s e s t h em e r i t so fo n e sa b o v e i nt h ee n d ，t h ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e di n g r e a td e t a i lu s i n gt h em e t h o d ，a n dt h es c h e m eo fh a r d w a r er e a l i z a t i o n ，w h i c hc a n b a l a n c er e a lt i m ea n dr c s o u r c ec o n s u m i n gt ot h eg r e a t e s te x t e n t ，h a sb e e n p r e s e n t e d i nc h a p t e r 4 ，as i n ew a v eg e n e r a t o ra n dm o d u l a t i n gc i r c u i t so f w a v em a g n i t u d e h a v eb e e nd e s i g n e di ng r e a td e t a i l w h i c ha r er e a l i z e du s i n gf p g a t e c h n o l o g y i n t h ee n d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l to fc i r c u i t sa sa b o v e ，w h i c hi st oc h e c kt h ef u n c t i o n s a n dt i m eo f c i r c u i t s ，i ss h o w e d i nc h a p t e r5 ，ac o n t r o l l e ro f r e a s o n i n g p a r a m e t e r p i d f u z z i l y h a sb e e n d e s i g n e d u s i n gf p g at e c h n o l o g y u s e rc a na c h i e v ep a r a m e t e r sp i di nr e a lt i m eb y t r a n s m i t t i n gd a t at ot h em a c h i n et h r o u g hb u s ，a n dg e tag o o dr e s u l to fc o n t r 0 1 i nt h e e n d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sp r o v i d e d i nc h a p t e r6 ，t h er e s to fc i r c u i t so fc o n t r o l l e rh a v eb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n g k e yw o r d s ：h i g h f r e q u e r t c yf a t i g u et e s t e r , v h d l ，f p g a ，s i l i e w a v e g e n e 。a t o 。， m a g n i t u d er e g u l a t i o n ，f u z z y c o n t r o l l e rw i t hp a r a m e t e r sp i ds e l f _ 删n g i n 第一章绪 论 1 1 概述1 i 试验机是一种用于研究与检测材料、零部件、各类产品的力学性能与可靠 性的测试仪器。它可广泛用于科学研究、能源交通、机械电子等各领域，是科 研、生产部门必备的基本设备。试验机在材料试验、新型材料开发、产品设计、 产品质量监督以及质量控制等方面都发挥着重要的作用。试验机可分为如下几 类：金属材料试验机、非金属材料试验机、平衡机、无损检测仪器、振动台与 冲击台、力与变形检测仪器、摩擦磨损、润滑与工艺试验机、包装件试验机、 大型结构试验机及汽车专用测试设备等。试验机是光机电等一体化、技术密集 的高科技产品，品种繁多。 1 2 高频疲劳试验机简介2 1 1 3 高频疲劳试验机属于金属材料试验机，是一种主要用于测定金属及其合金 材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳性能试验的机器。其 特点是可以实现高负荷、高频率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试验费用， 是我国工业发展的主要测试设备之。 1 2 1 主机力学原理 p s l n ( ) t 厂、 u k l 一一测力传感器 k 2 一试样 ： 静负荷弹簧 m 一全振质量 k 1 ，k 2 的折算刚度： k 1 2 ：k l x k 2 足l + 足2 l ( 3 4 = k 34 - k 4 所以：k 总= k 1 2 + k 3 4 图1 - 1 主机力学原理图 如上图所示。计算时除考虑静负荷弹簧k 3 、k 4 之外，把传感器k 1 和试 样k 2 等组成部分作为另一个弹簧，而试验台，砝码及连接部分作为主振质量 m 。静负荷弹簧k 3 、k 4 的下端均牢固的固定在机座上，机座设计成足以认为 删巍蓑銎警篓震嚣糕脯并联弹簧k l 、k 2 和k 3 , k 4 组成的系试验机是在主振质量m 和两组串、并联弹簧k l 、k 组厩即糸 统固有频率下振动，其振动是由一个电磁激振器来激励和保持。当激振器产生 的激振力频率与振动系统的固有频率基本一致时t 这个系统便发生共振，这时 主质量在共振状态下所产生的惯性力往返地作用于试样，从而完成对试样的拉压 疲劳试验。 此时主振系统频率初算方法： 。1 厅 卜瓦面 根据一般试验情况，试验机上限频率为2 5 0h z ，下限频率为8 0 h z 。 1 2 2 主机结构 主机主要结构图可参见附录l 。 主机整个传动部分和主振系统均放在机座之内，同时把主振弹簧等部件并 联放置，以使整个系统刚性增强。系统主要组成部分为： 1 测力机构 测力采用力传感器，放于试验机顶部，用来测出试样在试验过程中所受的 交变力( 包括静态力和动态力) 。 2 激振系统 试验机激振系统部分简图如图1 2 所示： m s 幸； 莘 m 1 图1 2 激振系统部分简图 6 附加激振质量m 1 ，它支撑着电磁铁并通过激振弹簧k 5 、k 6 而附加在主 质量m 上，同时弹簧k 5 、k 6 又将质量m 的振动消减，因此这个附加激振系 统具有远低于试验频率的共振频率，从而使附加激振系统保持着相对于地面的 静止状态。因此，每当试验台上调整静负荷时，激振质量m 1 就随主质量产生 同样的位移，使电磁铁与衍铁之间的空气隙保持相对不变。 3 升降及静态加荷机构 升、降由直流电机驱动，无级调速。升降及静态加荷机构直接与主振系统 相连，完成升、降或试样静态加荷工作。升降机构选用外循环双螺母，螺帽调 节式滚珠丝杠来驱动横梁升、降，并随时通过螺帽调节丝杠与螺母间的活动间 隙。 2 1 2 3 主要技术参数 1 试样：巾5 ，中7 ，中1 0 和由1 6 毫米 2 负荷：单向最大拉伸或压缩脉动负荷： 2 0 0k n 3 负荷级数：0 4 0 k n ，o 1 0 0 k n ，0 - 2 0 0 k n 4 负荷精度： 1 ) 静态负荷精度为每档量程的l 2 ) 动态负荷精度为每档量程的+ - - 2 5 调频范围：8 0 2 5 0 次秒 6 夹头间最大间距：5 5 0 毫米 7 立杠间距：5 0 0 毫米 1 3论文意义 1 3 1 高频疲劳试验机控制器国内外状况 目前国内有数家单位研制过高频疲劳试验机控制器。比如长春试验机研究 所研制的p l g 系列高频机控制器，华中理工大学研制过1 吨高频机控制器，还 有天水红山试验机厂也研制和生产过2 吨和l o 吨高频机控制器。 以天水红山试验机厂的1 0 吨高频机控制器为例【1 1 。整个控制系统可以分为 几个部分：主振系统、动静载荷控制系统及测量系统等几个部分。 1 主振系统 高频疲劳试验机是共振式试验机。电气系统要产生一个与主机共振频率相 一致，与振动系统阻尼力相位相反的激振力来抵消振动中的阻尼力。 主振系统由传感器、前置放大器、峰值检出及功放等部分所组成，通过激 振器来产生激振力。 2 动载荷控制系统 该部分将前置放大器得到的信号进行检出，与给定的一稳定电压值相比较 组成一个积分回路。振动过程中该系统自动调节，使振动幅值保持恒定，从而 控制主振系统的振动幅值。 3 静载荷控制系统 静载荷控制系统是由传感器，前置放大器，再经过比例放大器，以及滤波 器，与预先给定的电压在一个比较积分放大器内完成它的作用。该系统通过滤 波器检出传感器得到的直流成份。该直流成份反映试样所受静载力的大小。 积分回路的输出，通过静载调整单元来调节直流电机的正反转。 4 载荷测量系统 动载荷测量原理是：通过单峰值检出，测出传感器所受交流部分力值的大 小，通过一个惯性环节在运算放大器中变成一直流信号，通过标定这个直流信 号来直接反映出动载荷幅值的大小。 静载荷测量原理是：把传感器前置放大器来的交直流信号进行放大，把交 流成分滤掉，用数字电压表测出直流成份的大小。 从上述各部分可看出，这些试验机控制器主要特点是： 振动由电磁激振器来激励和保持： 通过光学放大机构来直接测力或振幅； 控制器功能主要是通过内部大量分立元件或大量模拟电路构成。 不难看出，由此而带来的问题是： 可靠性差。试验过程中，控制系统易受诸如电源电压，稳漂，零漂等 众多因素影响。 调试，维护等困难。由于系统由众多分立元件构成，使调试安装，故 障定位等变得很困难。 结构复杂，体积庞大。 很多控制功能需人工干预，智能程度低。 国外研制试验机控制器的技术方面相对我国来说成熟一些，已有几十年的 发展历史。七十年代中期，瑞士a m s l e r 生产的1 4 7 8 型高频机及其控制器，其 主要特点是电磁激振，通过光或电来测力。日本衡机制作生产的a v 一1 0 型高 频机控制器，其仍为通过光学来测力。英国1 n s t r o n 生产过1 6 0 3 型2 0 吨高 频机及控制器。该机由几根弹簧组成共振系统，靠更换试样来改变频率。目前 国外用于高频试验机的控制器则通过先进的微机技术及微电子技术，甚至内部 有着定制的专用集成电路来构成，使控制器有着很高的控制精度，稳定性，及 智能性。但是其结构复杂，价格昂贵，对于国内用户还存在着维修维护等售后 服务困难，而且由于是英文界面而带来的操作不方便等一系列问题，使其并不 适合于国内用户。 1 3 2 论文意义 随着国民经济的飞速发展，对疲劳试验机技术及其测试手段提出了更高的 要求。因此作为我国工业发展的主要测试设备之的高频疲劳试验机控制器也 要顺应新的情况进行彻底更新，来更好的满足现阶段的需求。我们在传统试验 机的基础上，结合国内外目前的技术，通过引入微机直接参与管理与控制等先 进技术，开发研制了一套能满足现时期的测试需求，且又适用于国内用户的高 频疲劳试验机控制器。 鉴于高频疲劳试验机控制器控制规模比较大，功能复杂，以及f p g a 所具 有的一系列优点，故本论文引进了f p g a 为代表的现代数字系统硬件设计技术， 通过f p g a 技术及微机技术两者的结合，来全面提升控制器系统的性能。希望 通过本论文的研究和本控制系统的开发，能使整机工作效率高、控制精度高、 电气系统可靠性高及操作方便，又不乏技术的先进性。这也符合目前高频疲劳 试验机控制器的发展趋势，即通过结合先进的飞速发展的微机技术、微电子技 术，能使得整个试验机具有智能化、微型化、高的可靠性及高的控制精度，以 及使系统具有不同程度的自我故障诊断及修复能力等等。 1 4 本章小结 本章首先简单介绍了试验机以及高频疲劳试验机，接着阐述了本论文所研 究的对象即高频疲劳试验机控制器以及其目前的国内外状况和所存在的问题。 在此基础上，提出了本论文所研制的控制器。最后阐述了论文的意义。 4 第二章本控制系统硬件设计方法及f p g a 实现 2 1 控制系统 2 1 1 系统结构框图 广 图2 - 1 系统原理简图 本控制系统的总体结构筒图为如图2 1 中黑虚线框部分，完整图纸参见附 录2 。 下位机是整个高频疲劳试验机控制器的核心。用于实现产生控制试验机的 控制信号和数据，反馈信号的处理，以及和上位机进行数据通信。其控制功能 的强弱也直接影响着整个控制器性能的好坏。 5 图中f l l z z yp i d 算法( 模糊p i d 算法) 是系统力值p i d 控制算法中p i d 参 数模誓慧笔鬈嚣豁。于激励和保持电磁激振器的振动。在此，波形发生图中波形发生器，是用于激励和保持电磁激振器的振动。在此，、披彤及正 器应输出正弦波。 2 1 2 系统总体目标及功能2 总体上，系统应实现操作方便，有高的控制精度，高可靠性，以及用户界 面友好，操作简单。具体应该实现： 1 ) 根据用户设置，系统应能够进行以下试验： 自动扫频试验。参数设置后，进行静载加载；通过频率扫描，进 行共振点的确定；通过电流值的判定， 最后开始疲劳试验。 固定频率试验。 程序控制试验。将试验过程分为若干个不同动载加载区间，按程 序设置顺序进行试验。 2 ) 静动态分档能通过硬件来完成。 3 ) 负荷能自动清零：通过点击鼠标，负荷便自动置零。 4 ) 能进行检测监控：通过用户的不同设置，能进行静载变化控制，动载 变化控制，共振频率控制的监控。 5 ) 通过上位机，能显示试验参数：试验频率、动负荷、静负荷、电流、 试验次数等等。 6 ) 能设置试验参数：试验方法( 自动扫频试验、固定频率试验、程序控 制试验) 、试件型号、动静载力值、试验频率、试验量程分档、扫频范 围、试验过载保护值、自动加载速度设定、试验分级设定( 程序控制) 等等。 7 ) 过载保护完善：有超负荷( 静载、动载) 、断裂、限位、电流( 隐含、 固定) 。 8 ) 可以预置疲劳次数，达该设置数自动停机。 2 1 3 系统主要控制技术参数” 1 ) 最大力值范围：0 2 0 0k n 2 ) 力值分档：0 4 0 k n 、0 1 0 0 k n 、0 2 0 0 蝌 3 ) 力值精度：静态1 r o ，动态2 r o 4 ) 激振功率：3 0 0 w 5 ) 振动波形：正弦波 6 ) 激振线圈：电压6 0 v 7 ) 电源频率：5 0 h z 8 ) 静态加荷电机：直流伺服电机 电枢电压：2 2 0 v 激磁电压：2 2 0 v 功率：4 0 0 w 6 型号：1 3 0 s z 0 2 ，n _ 3 7 5 r m i n 转矩：m = 7 2 4 n c m 2 2 控制系统硬件设计的方法 2 2 1 数字系统硬件设计方法概述 一般来说，人们都采用“传统”的硬件电路设计方法来设计系统的硬件。 这种硬件设计方法主要有以下几个特征”0 j ： 1 采用自下至上( b o t t o m u p ) 的设计方法。 采用自下至上( b o s o mu p ) 的设计方法的主要步骤是：根据系统对硬件的 要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图：然后根据技术规格书和系 统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功 能框图；接着就是进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块设计、调试 完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个 系统的硬件设计。 一般，系统硬件的设计是从选择具体元、器件开始的，并用这些元器件进 行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后再将各功能模块连接起 来，完成整个系统的硬件设计。上述过程从最底层开始设计，直至最高层设计 完成，故将其称为自下至上的设计方法。 2 采用通用的逻辑元器件。 在传统的硬件电路设计中，设计者总是根据系统的具体需要，选择市场上 能买到的逻辑元、器件，来构成所要求的逻辑电路，从而完成系统的硬件设计。 3 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试。 在传统的硬件电路设计中，仿真和调试通常只能在完成系统硬件设计以后 才能进行。这样，系统设计时存在的问题只有在后期才能发现。所以，传统的 硬件设计方法对系统设计人员有较高的要求。一旦考虑不周，系统设计存在较 大缺陷，那么就有可能要重新设计系统，使得设计周期也大大增加。 4 主要设计文件是电原理图。 在用传统的硬件设计方法对系统进行设计并调试完毕后，所形成的硬件设 计文件，主要是由若干张电原理图构成的文件。众多的设计文件给归档、阅读、 修改等带来极大的不便。 2 2 2 本控制系统硬件设计所采用的方法 利用h i ) l 的硬件设计方法 利用以上的数字电路硬件设计方法，其弊端可以很明显的看出。总的来 说是：设计繁琐，设计有较大风险，容易返工，特别是新手更容易犯各种设计 错误，使得设计成本增加，时间精力也大大增加。在本控制系统中，数字电路硬 件部分主要都由f p g a 来构成。该芯片系统中( 指f p g a 部分，以下类同) 采用 h d l ( 即硬件电路描述语言) 的硬件设计方法。随着大规模集成电路( a s i c ) 的出 现，使这种方法的实现成为可能。该方法的运用，使得本系统硬件电路的设计 效率大大提高，缩短了时间，降低了设计成本，同时也使设计风险趋向零。所 7 谓利用硬件描述语言设计电路，就是利用该语言来描述硬件电路的功能，信号 连接关系及定时关系。硬件电路描述语言比电原理图能更有效的表示硬件电路 的特性。 本控制系统硬件电路设计所采用的方法，归纳起来有以下几个特点： i 采用自上至下( t o pd o w n ) l 勺设计方法。 自上至下( t 0 pd o w n ) 的设计方法，也就是从系统总体要求出发，自上至下 地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在本系统( 指f p g a 芯 片) 电路设计方法中，将自上至下分成3 个层次对系统硬件进行设计： 第一层次是行为描述。所谓行为描述，实质就是对整个系统的数学模型的 描述。对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统 行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。 第二层次是r t l 方式描述。也即是寄存器传输描述。 采用了r t l 方式描述，才能导出系统的逻辑表达式，才能进行逻辑综 合。 第三层次是逻辑综合。逻辑综合这一阶段是利用逻辑综合工具，将r t l 方 式描述的程序转换为用基本逻辑元件表示的文件( 门级网络表) 。由逻辑综合工 具产生门级网络表后，在最终完成硬件设计时，可做两种选择： 一种是由自动布线程序将网络表转换成相应的a s i c 芯片的制造工艺，做 出a s i c 芯片。 第二种是将网络表转换成f p g a ( 现场可编程门阵列) 的编码特点，利用 f p g a 完成硬件电路的设计。 在本系统中是采用第二种，即通过f p g a ( 现场可编程门阵列) 的方式来完成 硬件电路的设计的。本系统硬件设计的全过程如图2 2 所示。 2 系统中可大量采用a s i c 芯片。 可以根据电路设计需要，设计自己的a s i c 芯片或可编程逻辑器件。如果 该控制系统需要大批量生产，则可以将此部分转化成自己专用的a s i c 芯片。 这样最终使系统电路设计更趋合理可靠，体积大大缩小，成本也大为缩减。 3 采用系统早期仿真。 从图2 - 2 可以看到，在系统设计过程中要进行三级仿真，即进行层次仿真， r t l 级仿真和门级层次仿真。这3 级仿真贯串系统硬件设计的全过程，从而可 以在系统设计早期发现设计中存在的问题。所以，可以大大缩短系统的设计周 期，也提高了设计质量。 4 降低了硬件电路设计难度。 在用h d l 语言设计硬件电路时，就可以免除编写逻辑表达式或真值表。 这样使硬件电路的设计难度有了大幅度的下降，从而也缩短了硬件电路的设计 周期。 2 3 v t t d l 及其综合 2 3 i 硬件描述语言v i t d l 硬件描述语言中，最有代表性是美国国防部开发的v h d l ( v h s l ch a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，以及v e r i l 。g 公司开发的v e r i l 。gh d l 。在本系统硬件设 计中采用了v h d l 语言( 9 3 版) 。 v h d l 语言的英文全名是：v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，即超高速集成电路硬件描述语言。是由美国国防部在2 0 世纪7 0 年代提出的，于1 9 8 7 年成为i e e e 标准。利用v i - i - d l 来设计数字硬件 电路有诸多优点： 1 系统硬件描述能力强。 v h d l 具有多层次描述系统硬件 功能的能力，可以从系统的数学模型 直至门级电路。高层次的行为描述可 以与低层次的r t l 描述和结构描述混 合使用。 2 ，v h d l 的硬件描述与工艺技术无 关。 当门级或门级以上的层次通过仿 真验证之后，再用相应的工具将设计 映射成不同的工艺即可( 如： t t l 。c m o s 等) 。这样，在工艺更新时， 就无需修改原设计程序，只要改变相 应的映射工具即可。 3 v h d l 语言标准、规范、易于共 享和复用。 4 容易a s i c 移值。 使用v h d l ，能较容易的实现转化 成a s i c 设计。甚至可将用于p l d 的 原码直接用于a s i c 设计。 5 上市时间快，成本低。 v h d l 与可编程逻辑器件相结 合，可大大的提高数字系统单片化的 速度，同时c p l d f p g a 可使产品设 计的前期风险将到最低。 2 3 2 v h d l 基本结构简介【8 不。 l规格设计 ii o ， l行为级描述 i 之上 行为级仿真 ll o ，7 r t l 级描述 上上 ir t l 级仿真 fi ；。7 l逻辑综合，优化 ll t 7 i门级仿真 上上 输出门级网表 图2 - 2自上至下设计系统硬件的过程 一般，一个完整的v h d l 语言程序通常可含有五个部分，如下图2 3 所 1 实体( e n t i t y ) 9 实体是用来描述系统的外部接口信号， 要的电子系统抽象。它可以代表一块芯片， 2 结构僻 , 各进程是并行运行的。而进程内部则 又可包含众多语句，这些语句是串行语句( 逐步执行) 。 4 ) 程序包( p a c k a g e ) ：用于把共享的定义放于其中。即存放各个模块都 能共享的数据类型、常数、子程序等。 5 ) 库( l i b r a r y ) ：存放已编译的实体、构造体、包集合和配置。 2 3 3 v i - i d l 综合 综合，即s y n t h e s i s ，在集成电路设计中定义为：集成电路设计过程中设计 描述的一种形式向另一种形式的( 自动) 变换过程】。 上述过程需要借助各集成电路设计( e d a ) 厂商提供的综合器。综合器可以 1 0 厂fjljij、，、ijlill 体实汁殴 把硬件的高层次描述转换为低层次描述，也可以把同层次的行为描述转换为结 构硒凳釜屡次用硬件描述语言( h d l ) 设计硬件，并利用综合i 具得到可制造的在高层次用硬件描述语言 设计硬件，并利用综合县得到刚翟粤刚 集成鬲路版图数据，可使设计人员集中精力考虑算法的实现，而不必考虑电路 细节，从而可以大大节省设计时间，减少设计错误，降低设计成本。 2 4 系统主要硬件实现 2 4 1f p g a 芯片概述 图2 - 4 逻辑芯片分类 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，中文名又称为现场可编程门阵 列，是可编程专用集成电路( a s i c ) 的一种( 同类的还包括c p l d ) ，如图2 4 所 示【7 】。它是美国x i l i n x 公司于1 9 8 4 年首先开发的一种通用型用户可编程器件。 f p g a 是由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件两者演变而来的，因此f p g a 既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵 活性，f p g a 与其他p l d 相比速度更快，功耗更低，功能更强，适应性更加广 泛。 f p g a 由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的i 0 单元阵列构成， 一个f p g a 包含丰富的逻辑门、寄存器和i o 资源。在f p g a 的布线资源中有 快速可编程内连线，通过这些内连线将排成阵列形式的可编程逻辑单元连接在 一起，实现一定的逻辑功能。f p g a 的密度大，单片中的等效逻辑门从几千、 上万甚至多达数百万，i ( 9 引脚多达4 0 0 个以上，因此，一片f p g a 芯片就可 以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路实现的系统。 f p g a 的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和i o 单元都可以由用 户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快、功耗低、通 用性强，特别适用于复杂系统的设计。使用f p g a 还可以实现动态配置、在线 系统重构( 可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备 多种空间相关或时间相关的任务) 及硬件软化、软件硬化等功能。 目前，f p g a 应用正趋向于片上系统集成s o c ( s y s t e mo n ac h i p ) 技术。 该技术能将整个系统集成在一块f p g a 芯片上。 2 4 2 系统主要硬件实现 从上可以看出，f p g a 具有诸多优点。它特别适合用于复杂数字系统电路 设计、微处理器系统、d s p 、电信等高科技研发领域。具体运用在本系统中， 可体现为： 1 缩短研发时间。通过利用h d l 的硬件设计方法及f p g a 的应用，可 以明显减少研发、调试、维修时间。 2 体积小，可靠性高。由于全部是用数字硬件电路构成，消除或减少 了模拟电路所遇到的众多问题。由于整个系统仅由f p g a 、c p u 以 及少量外围电路构成，系统所受到的干扰等很小。 3 升级、修改容易。如果系统或系统某几个功能需要升级、维修等， 可以通过修改h d l 代码就可以实现，而无需改变系统硬件电路。 f p g a 目前主要由美国x i l i n x 公司和a l t e r a 公司生产。前者诸如： x c 4 0 0 0 e s p a r t a n ，后者如：f l e x l 0 k 系列等。在本系统中，应用了a l t e r a 公司的e p f l o k l 0 l c 8 4 芯片。 该芯片主要结构如下图2 5 所示【”】。 该芯片采用重复可构造的c m o ss r a m 工艺，把连续的快速通道互连与独 特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通 门阵列的宏功能。系统主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、f a s t t r a c k 和i 0 单 元四部分组成。 1 嵌入式阵歹j j ( e a b l 嵌入式阵列是由一系列用于实现逻辑功能和具有存储功能的e a b 构成的。 e a b 是在输入、输出口上带有寄存器的r a m 块，它可以非常方便的实现诸如 f i f o 、r o m 、r a m 和双端口r a m 等功能，还可以用于算术逻辑单元、数字 滤波器和微处理器等。 e a b 可以配置为各种宽度、深度的r a m 、r o m 。在本系统中，其中两个 r o m 块正是由e a b 所构成的。详见第四章。 2 逻辑阵y r ( l a b l 逻辑阵列是由一系列的逻辑阵列块l a b 构成的。每个l a b 包含8 个l e 和一些连接线，其中每个l e 含有一个4 输入查找表( l u t ) 、一个可编程触发器、 进位链和级联链。l e 的结构能有效的实现各种逻辑。 在本系统中，各种功能基本上是由l a b 块来实现的。 3 f a s t t r a c k 芯片内部信号的互连和芯片引脚之间的信号互连是由快速通道( f a s t t r a c k ) 连线提供的，是贯通芯片长、宽的快速连续通道。 本系统中，一些关键信号( c r i t i c “s i g n a l ：一些时序上要求非常严的以及 限制系统最高频率的信号) 是通过f a s t t r a c k 来实现的。 图2 - 5e p f l 0 k 1 0 l c 8 4 结构图 4 i o 单兀( i o e ) 芯片的i o 引脚是由一些i o 单元( i o e ) 驱动的。每个i o e 有一个双向i o 缓冲器和一个既可做输入寄存器也可做输出寄存器的触发器。此外，芯片还提 供了6 个专用输入引脚，以确保控制信号高速、底偏移( 1 2 n s ) 的有效分配，这 些信号使用了专用的布线支路。 本系统中时钟信号就是专用输入引脚来驱动的，其中还包括与c p u 接口的 读写信号。 e p f l o k l 0 l c 8 4 芯片总的资源数为 提供的门数( 逻辑和r a m ) ： 逻辑单元( l e ) ： 逻辑阵列块： 嵌入式阵列块( e a b ) ： 总的r a m 位： 用户i o 引脚数： 电源电压： 速度等级： 2 5 本章小结 1 0 ，0 0 0 5 7 6 7 2 6 1 4 4 5 9 s o v 4 本章第一部分阐述了整个系统控制器结构框图及技术参数，论述了在本系 统( f p g a 芯片) 控制器硬件电路设计中采用的有别于传统上所用的硬件设计方 法，即利用h d l 的硬件电路设计方法。简述了其在本系统应用中的特点，各 个层次。接着简单介绍了本系统所采用的基本开发工具，也是利用h d l 的硬 件电路设计方法最为关键的部分：v h d l 语言。v h d l 并不是传统意义上人们 经常所遇到的开发软件的一门语言，它与这些语言有着本质的区别。v h d l 在 使用过程中所采用的描述方法、程序结构、编写思路以及程序的最终运行等等 都有着很大的不同。在本章的最后，叙述了利用h d l 的硬件电路设计方法以 及v h d l 所使用的最终载体f p g a 芯片。 1 4 3 1 概述【” 第三章系统控制算法 随着科技的飞速发展，自动控制技术已经渗透到人类生产、建设和社会生 活的许多方面。自从美国著名的控制论创始人维纳( n w i e n e r , 1 8 9 4 1 9 6 4 ) 提出 的系统控制论后，控制理论及实践经历了三个阶段： 第一阶段：本世纪4 0 6 0 年代，称为“古典控制理论”时期。一般其所研 究的系统多半是线性定常系统。古典控制理论能很好的解决生产过程中的单输 入单输出问题，也是目前最为成熟的，应用较为广泛的控制理论、控制算法。 第二阶段：本世纪6 0 。7 0 年代，称为“现代控制理论”时期。其所研究的 系统对象既可以为线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。该理论可以 解决多输入多输出问题。 第三阶段：本世纪7 0 年代末至今。主要向着“智能控制”方向发展。智能 控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某 些仿人智能的工程控制与信息处理系统。 一般古典控制理论及控制算法只适用于线性定常( 参数不变) 的系统。在工 程控制实践中大量应用的p i d 控制算法即属于此类。p i d 控制算法用于被控对 象是一阶或二阶且纯滞后时间不大的系统中能够取得满意的控制效果。其存在 许多优点如结构简单、容易实现、强鲁棒性以及控制效果不错等。但有的系统 参数未知或缓慢变化，有的带有延时或带有随机干扰，有的无法获得数学模型 或模型非常粗糙，p i d 对于上述这些系统控制效果则不佳。 对于那些具有不确定性的模型、高度非线性以及具有复杂的任务要求的系 统，现在的智能控制技术则能够取得比常规p i d 控制更好的效果。它是一门新 兴的边缘性学科，特别适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不 存在已知算法的生产过程( 系统) 。智能控制包括人工智能、现代自适应控制、 最优控制、神经元网络、模糊逻辑、生物控制和激励学习等。智能控制虽然具 有上述诸多优点，但是它仍处于不很成熟的阶段，完全应用于工程实践中尚有 许多理论和方法需要解决：另外智能控制的算法，实现也比常规p i d 控制要复 杂的多。 本系统中我们所控制的系统是高频疲劳试验机，其特点是具有一定的非线 性，存在滞后以及参数难以确定等。鉴于上述控制算法的各个优缺点，以及联 系到高频疲劳试验机具体的实际情况，考虑对于力值的控制( 包括静态以及动态 力，此部分为系统控制中最为关键的一部分) 采用模糊p i d 控制算法。模糊p i d 控制算法已经在一定程度上弥补克服了两种控制算法的缺点，同时具有两者的