（机械电子工程专业论文）基于dsp的高频疲劳试验控制器的研制.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于d s p 的高频疲劳试验机控制器的研 制。毋本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 孙卜虐 塑l 年上月j 2 - 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阈。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：到墨 指导导师签名：垒圭， 鱼! ! 年上月l 日 三年土月，! 日 摘要 随着微机技术与电子技术的快速发展，国内外许多高频疲劳试验机生产厂商已经 将这些先进的技术应用在了试验机的控制器上，本文在此基础上，提出了利用d s p 的 高速处理能力来实现试验机控制的快速响应同时通过c p l d 来实现相关的逻辑电路 c f ，l d 的使用不仅减少电路板的空间而且也降低了电路板产生错误的概率，通过1 s a 膛线来完成下位机与上位机的通讯。 本论文介绍了高频疲劳试验机的发展情况，并指出了应该加以改进的地方。 利用a n s y s 软件，对高频疲劳试验机主机的整体结构建立了有限元模型同时进 行了谐响应分析，指出了试样与砝码给试验机共振频率带来的影响。 运用d s p 实现p i d 控制算法，使得控制精度与响应速度达到预期指标。在c p l d 的 开发中，运用原理图输入与硬件描述语言相结合的方法，实现了锁存器计数器，译 码器等电路的功能。 高频瘫劳试验机是通过共振的原理对试样进行可变负荷的加载。加载的频率可 以达到8 0 2 5 0 h z ，我们所研制的高频疲劳试验机控制器，是通过负荷传感器的反馈来 对电磁谐振式激振器进行控制的。 关键字：d s pc p l d 试验机数字p i d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o c o m p u t e ra n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y m a n yh i g h f r e q u e n c yf a t i g u et e s t i n gm a c h i n em a n u f a c t u r e r sh a v ea l r e a d ya p p l i e dt h e s ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e si n t ot h ec o n t r o lo ft e s t i n gm a c h i n e s t h i st h e s i s w h i c hi sb a s e do na d v a n c e d i e c h n o l o g i e sp r o p o s e st h a tt h eh i g hs p e e dp r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s p c a nb eu s e dt oa c h i e v e f a s t r e s p o n s et ot e s t i n gm a c h i n ec o n t r o la n dr e l a t i v el o g i cc i r c u i tc a r t b er e a l i z e dt h r o u g h c p l dt h ee m p l o y m e n to f c p l dc a nn o lo n l yd e c r e a s et h ec i r c u i tn z f e rs p a c eb u tr e d u c e t h ee r r o rp r o b a b i l i t yc m t s e db yc i r c u i tw a f e rc h i p ，a n dt oa c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e n l o w e r m a c h i n e a n du p p e r m a c h i n eb y m e a n so f i s a t r u n k t h ed e v e l o p m e n to fh i g hf r e q u e n f a t i g u et e s t i n gm a c h i n ei sd i s c u s s e da n d m e i m p r o v e m e n t sa r es u g g e s t e di nt h i st h e s i s w i t ht h eh e l po fa n s y st h ea u t h o rb u i l d st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lb a s e do nt h e i n t e g r a t e d s l n l c l u r eo fh i g hf r e q u e n c ) f a t i g u et e s t i n gm a c h i n ea n da n a l y z e sh a r m o n i c r e s p o n s ea sw e l la sf i g u r e so u tt h ee f f e c to f m o d e la n dp o i s eo nt e s t i n gm a c h i n er e s o n a n c e f r e q u e n c y t h er e a l i z a t i o no f p i dc o n t r o la r i t h m e t i ct h r o u g hd s pf a c i l i t a t e sc o n t r o lp r e c i s i o na n d r e s p o n s es p e e dt oa t t a i nt h ee x p e c t e di n d e xi nt h ed e v e l o p m e n to fc p l dt h ec o m b i n a t i o n o fs c h e m a t i cd i a g r a ma n dv h d lr e a l i z e ds e 、e r a lc i r c u i tf u n c t i o n sn a m e l ) ；l a t c h ，c o u n e r a n dc o d i n g o nt h eb a s i so fr e s o n a n c et h e o r y h i 曲f r e q u e n c yf a t i g u et e s t i n gm a c h i n ee x e a s v a r i a b l el o a du p o nm o d e l sa n dt h ef r e q u e n c yo f l o a dc a nb er e a c h e da t8 0 2 5 0 h zt h eh i g h f r e q u e n c yf a t i g u et e s t i n gm a c h i n em e n t i o n e di nt h i st h e s i sc o n t r o l se l e c t r o m a g n e t i cr e s o n a n t m o d ee x c i t e r t h r o u g h t h e f e e d b a c ko f l o a ds e n s o l k e y o r d s ：d s p c p l d t e s t i n gm a c h i n ed i g i t a lp i d 目录 摘要 a i j s t r a c t 目录 第一章绪 论 i 1 前言 1 2 疲劳试验的历史 1 3 高频疲劳试验机控制器国内外发展情况 l 4 本论文的主要研究内容与方法 1 _ 5 课题来源及研究的目的和意义 i6 本章小结 第二章试验机的机械机构及其谐响应分析 2 1 主机系统工作原理 2 1 1 试验机主机的机械结构 2 i 2 电磁谐振式激振器简介 2 2 试验机的性能及规格指标 23 基于, 州s y s 的谐响应分析 23l 机械结构建模 2 3 2 横态分析 2 33 谐响应分析 2 34 输出结果 24 本章小结 第三章控制系统的硬件结构设计 3l 控制系统总体结构 32d s p 控制技术简介 33t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片介绍 33lt m s 3 2 0 f 2 4 0 的电路原理图 3 4c p l d 应用的简介 3 5 双口r a m 简介 36 计算机的总线结构 37 电磁谐振式激振器的驱动电路设计 3 8 负荷传感器反馈电路设计 3 9 控制原理简介 3l o 本章小结 第四章控制软件设计 4 1d s p 的程序设计 4 i 1d s p 的初始化 41 2 时钟发生器 4l3 低功耗模式 4 14w a t c h d o g 定时器 4 15 等待状态发生器控制寄存器 416q 一断系统 o_o o“_“o o曲一m儿垤他他m垢m旧坞趴船烈弱盯盯盯四鹘引引 4l7 数字输入输出引脚 418a d 转换 41 9d s p 控制算法程序 42c p l d 的程序设计 4 2l m a x + p l u s i i 简介 422v h d l 语言 4 3 本章小结 第五章上位机软件设计 5l 主界面的介绍 52 主要的设置参数说明 5 3 本章小结 结论 致谢 参考文献 附录：硕士期间发表的论文 础孙；鞠加北蛆北“蛎蚰盯怕 第一章绪论 1 1 前言 近年来，疲劳试验机的应用越来越广泛人们逐渐的开始重视“疲劳”给零件或 者工程构件带来的重大影响。众所周知，破坏机械零件和一些构件的原因有很多，我 们常见的有磨损、腐蚀等，这些实际上都是破坏性较小的影响，可以通过一些简单方 法及时的避免这些破坏，例如我们可以隔一段时间进行检查或更换一些零件从而 撇到及时的补救，但有一种破坏形式是我们难以预料的，它总是在突然之间发生，那 就是断裂很多机械设各涉事故都是由于零件或者某个构件发生断裂而导致的当然 这也就会相应的带来操作人员的人身伤亡等一系列严重的后果。金属为什么会出现断 袭现象呢? 原因有以下几种可能：过载、应力腐蚀、疲劳等。而且，根据实践中的总 结造成金属断裂最主要的原因就是疲劳。因此，在工业生产和加工中，疲劳试验机 是十分重要的。 本论文的研究对象是一种用来测试金属材料的高频疲劳试验机，在许多领域中， 都可以看到它的身影，例如，科学研究、能源、机械等等。尤其在产品设计与质量控 钮方面试验机更是不可或缺的。 1 2 疲劳试验的历史 德国人爱博特进行了人类最早的疲劳试验。他的试验试样是一根焊接链，试验方 式也很简单，就是多次对焊接链进行加载，直至破坏，然后统计次数，这个实验是在 十七世纪二十年代进行的。可以说这是人类对疲劳试验最早的探索。科学是没有国界 的，不同民族的人，却有着相同的思想，时隔不久，一名法国科学家首次把“疲劳” 这一说法写入了自己的书中。从此开启了各国科学家与工程师们对疲劳试验的探索。 一名来自苏格兰的科学家经过对机车上车轴的研究后发现，金属的性能并不是一成不 变的，在金属零件工作的时候，他的性能是逐渐变化的。在进行了很多疲劳试验后 科学家们开始有了研制试验机的想法1 8 5 0 年，德国科学家沃勒研制出了首台疲劳试 验机，叩旋转弯曲试验机。从此，人们开始越来越重视金属材料和零部件疲劳性能的 分析与研究以便能够更好的了解材料的性能。进而，提高材料的利用率，最终尽量 减少材料损耗。 13 高频疲劳试验机控制器国内外发展情况”1 在国内，目前有多家研制单位研制以及生产过高频疲劳试验机。其中，比较有名 以及市场占有率较大的有长春试验机研究所研制的p l g 系列高频缓劳试验机，华中理 ：大学研制的1 吨高频疲劳试验机，以及天水红山试验机厂研带l i 的2 吨和1 0 吨高频 疲劳试验机等。 不可否认，国外研制的高频疲劳试验机在技术方面比我国要先进很多，毕竟，已 有几十年的发展历史了。早在七十年代中期。瑞士的a m s e r 公司就自行研制和生产 出了1 4 7 8 型高频机及其控制嚣，通过电磁激振原理来实现高频，通过光或电来进行 力的测量。除此之外，日本的衡机也自行研发并生产出了a v 一1 0 型高频机控制器，它 的测力方法也是通过光和电来完成的。还有英国i n s t r o n 生产的1 6 0 3 型2 01 吨高频机 和控制器，它的主机设置很简单，仅仅是用了几根弹簧就组成了一个共振系统。当进 行试验的试样不同时整个试验机的共振点也不同，即共振频率不同。近些年来，随 着科技的进步，高频疲劳试验机在控制技术上已经有了很大的提高，现在的试验机， 已经成功的运用了计算机技术、微电子技术、软件技术等，在控制方面，有许多专门 为其量身定撇的集成电路，以及一些专用的控制芯片。这就使得试验机在控制精度与 响应速度上有了质的飞跃，同时对于操作人员来说，也更简单和方便了。 1 4 本论文的主要研究内容与方法 对高频疲劳试验机的控制方面国内外都有很多的研究，我们是想通过数字信号 处理器d s p 高速处理数据的能力，和大规模可编程逻辑器件c p l d 的集成逻辑电路来 完善高频疲劳试验机的性能，进而，可咀使得高频疲劳试验机得到更广泛的应用。具 体内容如下： 一、高频疲劳试验机主机机械结构的a n s y s 分析。 二、试验机控制器的硬件电路设计，以及驱动电路的设计。 三、试验机控制器软件的设计包括d s p 与c p l d 程序设计等。 四、传感器的反馈与检测电路的设计。 五、上位机人机界面的软件的设计，编程语言为v b 。 1 5 课题来源及研究的目的和意义 尽管国外的高频试验机有着较高的品质，但针对于国内的需求，它还是有一定弊 端的首先，国外的高频试验机价格昂贵，很多国内用户难以承担，并且维修与保养 l 存在着很大的不便。此外，国外试验机的用户界面是英语的，这对操作人员也提出 了更高的要求。正是由于以上的一些弊端，使得国外的高频试验机，尽管有着较高的 产品质量，但是并不能满足广大国内用户的需求。鉴于此。早些年我们国家的一些 试验机生产厂家在高价引入国外的高频试验机后进行研究和学习，尤其是，i n s t r o n 公司试验机的引进，对我国日后生产出自己的试验机帮助很大。 本课题的研究对象是电磁谐振式高频疲劳试验机，它的主要测试对象是金属以及 一些合盘的试样，它的工作情况是这样的，在2 0 度左右的温度下，对试样多次进行 拉伸或是压缩的加载如有特殊要求，也可以进行拉伸和压缩交替的加载，我们研究 的试验机也是采用共振原理来进行工作的，我们的目标是高频癌劳试验机在较大的负 荷下实现8 0 h z 到2 0 0 h z 的加载试验并尽可能的降低功率损耗。近年来伴随着 国家经济的快速发展，在疲劳试验机技术及其测试方法上，也相应的有了更高的要求。 而这其中最重要的就是控制器，只有当控制器的性能提高以后，整个试验机才能更 好的满足社会上疲劳试验的需求。我们在传统的试验机基础之上再进一步结舍国内 外的一些较先进的技术，通过引入微机直接控制等先进技术，研制出一套既能够满足 现时期的测试需求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9 s p 所具有的一系列优点故本论文引入 了以d s p 为代表的现代数字系统设计技术，通过d s p 技术及微机技术两者的结合，从 而全面提升控制器系统的性能。在控制器的控制下，激振器使主机在共振状态下产生 惯性力，往复作用在试样上，从而来完成对试样的疲劳试验。测控系统有两个主要的 作用一是准确测量出试件所受的力僮( 均值和动态峰值) ：二是产生一个幅度可控的 与主机共振频率相一致并且与系统阻尼力相位相反的澈振力来抵消阻尼力，进而维持 系统振动。 运动控制器的设计是极其重要的环节，关系到整个试验机的性能。希望通过本 论文的研究和本控制系统的开芨，能实现整机工作效率高、控制精度高、电气系统可 靠性高及操作方便。这也符台目前高频疲劳试验机控制器的发展趋势。 1 6 本章小结 本章总体讲了试验机应用的领域与重要性，并说明了我国疲劳试验机与国外的差 距所在，以及国内试验机的发展情况，在此基础上，我们总结了本论文所研究的重点 以及最后说明了试验机控制器研究的重要性。 第二章试验机的机械机构及其谐响应分析 2 1 主机系统工作原理 2i 1 试验机主机的机械结构 试验机的主机负荷框架由横粱、立柱、底座、减震弹簧四部分组成。由伺服电动 机、两对蜗轮付、丝杠及弓形环等组成平均负荷系统。该系统同时用柬调整试验空间 激励电磁铁、衔铁、弓形环及砝码等组成交变负荷激励系统。试样、砝码、弓形环组 成一个质量一弹簧系统，当电磁铁的激励信号频率与该系统固有频率相同时则激发 谚系统产生共振。主机的机械结构示意图如图2l 所示。 图2l 试验机主机示意图 平均负荷由直流伺服电机来完成，伺服电机可以选择速度控制亦可选择由控制 平均负荷的伺服系统控制。交变负荷由电磁激励器完成，它是由激励质量、电磁铁、 衔铁及激励弹簧( 小弓形环) 组成。电磁铁与衔铁之间的气隙，可通过激励弹簧下的 调整垫片进行调整。也可通过气隙上砝码四个角上的调整螺钉进行调整。电磁铁绕组 有多个抽头，可根据不同频率、载荷及气隙尺寸适当选择。一般频率高、载荷大、气 隙小选技小的匝数：反之选较多的匝数。调频部分由八块砝码及砝码托架组成。 共分五级。在一定的试验条件下如故获得不同频率，只需增减砝码的级数即可。负 荷传感器与下夹头连在一起固定在底座上。其弹性体上贴有应变片，将负荷量转换 成电量输出。本机电控系统采用先进的脉冲调宽型系统及开关型晶体管功率放大器， 消除了凭经验进行调谐、移相操作的不便。因此，启动容易，操作方便效率高功 耗低。平均负荷控制系统采用直流电机无级调速因此传动平稳 载、卸载迅速， 控制精度极高。本机主机系统采用五个自由度的力学模型进行优化设计，使试样与负 荷传感器之问的动态力差达到很小的值。 2 12 电磁谐振式激振器简介 在整个高频疲劳试验机的机械结构中，最为重要的执行机构就是电磁谐振式激振 器，下面我们对激振器做简要的说明。 目前，国内外市场上比较流行的激振器有以下几种：电磁式，电动式，以及电液式。 奉系统选用的是电磁谐振式激振器，故本文只对我们选用的檄振器做以下简单的介绍。 图22 是激振器的结构示意图。 豳22 激振器结构幽 图中所示的信号发生器就是我们下位机控制器所发出的控制信号，具体情况我们 会在第三章说明而功率放大器就是电磁谐振式激振器的驱动电路这部分我们选用 i g b t 作为功率放大器件，驱动芯片选用e x b 8 4 1 ，这是富士公司的一款混台i c 驱动芯 片，在第三章中我们会对此芯片作详细的介绍。下面给出激振力的计算公式。 ，= 譬即去 = 去以一丽w 丽i 汜 r是空气隙磁阻 尺是铁芯磁路的磁阻 只5 。是气踪与铁芯的面积 一是气隙与铁芯材料系数 l ，1 。是气隙平均厚度与铁芯磁路长度 w 是线圈匝数 22 试验机的性能及规格指标 最大平均负( “)2 0 0 最大变变负荷峰值( k n )】0 0 厦大单向脉动负荷( k n )2 0 0 衰减倍数1 、2 、j 示值的l ( 满量程的2 0 以上) 负荷精度波动度 02 fs ( 满量程的2 0 以下) 交变负荷波动度 0 j fs ( 8 小时) 平均负荷0 j fs ( 8 小时) 频率范围8 0 2 5 0h z 工作方式常规试验、程控加荷( 可选) 定时存储1 7 2 0 0 秒 3 8 0 v1 0 0 0 整机消耗功率 2 2 0 v2 0 0 w 夹头最大距离( m )8 0 0 两立柱间最大距离( 哪)约4 2 0 23 基于a n s y s 的谐响应分析 a n s y s 足一款有限元分析软件其功能十分强大在多个领域中都有较广泛的应 用，例如，流体、声场、磁场、热处理分析等等，其机械结构的动态性能分析与静态 分析都经常被工程师们所采用。这里用到的是结构动力学分析的一种，即谐响应分析。 下面对谐响应分析做以下介绍。 谐口自应分析是用于分析试样在承受随时间接正弦规律变化的载荷时的稳态响应的 - 种技术其分析目的是计算出结构在几种频率下的响应并得出响应值和频率变化 的关系眭线。谐响应分析经常用到的有三种方法，即n l l 法、r e d u c e d 法、m o d e s u p e r p o s l t j o n 注。我们应用的是r e d u c e d 法，分析步骤如下；首先是建立模型其次 是加载求解，最后即可查看求解的结果。具体过程如下 231 机械结构建模 图23 所示是高频疲劳试验机的机械结构示意图。 圉23 高频疲劳试验机的机械结构示意圈 在建模的过程中，我们可以将圈一进行简化处理，从而建立有限元模型，如图24 所示，图2 5 是有限元建模型结果显示。 ；i 翟 图24 有限元模型 分别为模型中的四个节点t 、 、分别为模型中节点之间的弹簧 图25 有限元建模型结果显示 在谐响应分析中，我们只需给出各个节点的质量以及各个节点之间的弹簧的弹性 系数即可，具体分析如下： 首先在a n s y s 中建立模型，如图三所示。其命令流如下： ( 注：模型参数分别为底座质量为3 5 0 0 k g 。激振质量为1 8 0 k g 衔铁质量为2 0 k g ，砝码 质量2 0 8 0 k g ，k l = 39 8 x l o ”x m ，k 2 = 35 6 x 1 0 8n m ，k 3 = lx 1 0 9 、m ，k 4 = 1 l o ，“、m ) f i l e n a m e ，h i g hf r e q u e n c y l l t i t l e ，h i g hf r e q u e n c v l l p r e p 7 e t ，1 ，c o m b i n 4 0 k e y o p t ，1 3 ，2 r ，1 ，3 9 8 0 0 0 0 0 0 ，1 8 0 ， r 2 ，3 5 5 0 0 0 0 0 0 ，2 0 ， r ，3 ，1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，4 0 ， r ，4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，3 5 0 0 ， p n u m ，n o d e ，l n ，l ，0 ，4 n ，2 ，0 3 n ，3 ，0 ，2 n ，4 ，0 ，】 n ：j r e a l ，1 e ，l ，2 r e l i2 j ：13 r e a l ，3 e ，3 ，4 r e a l ，4 e ，4 ，5 e p l o t 232 模恋分析 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比 和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得。此处，我们选用一种常 用的常用的模态分析方法，即r e d u c e d 法。其命令流如下： s o lu a n t y p e ，2 m ( _ d o p t ，r e d u c e ，2 ，2 m x p a n d ，l 0 u t p r ，a l l m ，l ，u y ，2 d ，3 a 1 1 s o l v e f i n is h 233 谐响应分析 其命令流如下： s o l u a n t y p e ，3 h r o p t ，m s u p ，2 h a r f r q ，1 0 ，3 0 0 k b c ，l n s - i b s t ，2 0 f ，l ，f y ，一1 0 0 0 f 2 ，f y 1 0 0 0 o u i r e s ，1 s o l v e f i n i s h p o s t 2 6 f i l e ，h i g hf r e q u e n c y ，r f r q n s o l ，2 ，1 ，u y ，u y l p l v a r ，2 ，3 s ov e f i n ls h 2 34 输出结果 谐响应分析后的输出结果如图26 所示 圈26 当砝码从4 0 增加到8 0 k g 时，输出结果为图2 7 所示 ； 蠢 图27 由图26 与图27 的对比可蛆看出谐振频率与节点位移的变化情况，可见，砝码 在整个试验机中所起到得重要作用，当砝码4 0 蟾增加到8 0 k g 时整个试验机的谐振 频：摹与节点位移也随之进行了相应的变化。在整个机械结构中，我们可以看出，影响 整体谐振频率的因素有很多，例如材质、弹性模量等，试样的刚度也是影响整体谐振 频率的重要因素之一。如果在其他条件不变的情况下。仅仅提高试样的刚度，我们会 得到以下图28 的输出结果。( 原试样为直径8 m m 的圆柱型磷铜金属试样，如粜采用直 径为8 m m 的4 积钢金属试样，由于k = e s l ，这里4 j # 钢的弹性模量是2 o g p a 磷铜的 弹性模量是1 0 0 g p a ，所以试样的刚度得到了提高) “ l j f 、 f 、 i l 4 一 圈28 由此可见，试样刚度的提高导致了整个机械系统谐振频率节点位移的降低 24 本章小结 当试验标准对试验频率做出明确要求时，就需要高频试验机整机的固有频率应尽 量与试验标准频率符合t 以免由于频率不符使试验结果产生偏差所以在设计阶段应 该把试验机的动态特性纳入考虑范围，通过调整机器的结构参数来获取整机良好的动 态特性，使其能够符合试验频率要求。 第三章控制系统的硬件结构设计 31 控制系统总体结构 控制器的硬件电路设计是本论文的重要组成部分，整个控制器是基于高速数字信 号处理器( d s p ) 和大规模可编程逻辑器件( c p l d ) 来进行相关的数据运算和逻辑处理。 下面是整个控制器系统控制原理图。从中可以看出，该测控系统由反馈信号采集及a d 转换、d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 控制器、d a 转换、c p i d ( 逻辑电路) 等几个重要部分组成。而 最终的执行机构是由各自的驱动装置进行驱动的。图3l 是系统原理简图。 国3 】系境原理简圈 由原理图我们可以看出高速数字信号处理器d s p 和大规模可编程逻辑器件c p l d 是整个下位机的主要芯片，下面对这两款芯片做一些简要的介绍。 3 2d s p 控制技术简介。1 d s p 控制芯片，它的英语全称是d 1 9 i t a ls i g n a lp f o c e s s o f ，中文名全称是数字 信号处理器，这里补充一下d s p 这个英文缩写还有另外一个含义即数字信号处理 技术。而本文中提到的d s p ，除特殊说明外都指的是d s p 控制芯片。目前，国际市 场上有许多芯片公司生产d s p 芯片市场占有率较大的有以下几个公司：美国的德州 仪器( 1 i ) 公司、a d 公司、a 1 t 公司、咀及m o t o r o l a 公司等其中，使用最广泛的就 是德州仪器( t d 公司的d s p 芯片，尤其是t m $ 3 2 0 系列的t i 公司在全球的很多高校 中都投资建设了d s p 应用与开发实验室，这也使得未来的工程师们都已经习惯了t i 公司d s p 的编程语言与硬件结构，t i 公司也是通过这种方式为自己在未来的市场竞 争中铺平了道路。d s p 的种类有很多，划分方式也有很多，从应用上考虑，可以分为 通用d s p 和专用d s p 两种。它们的差别就在于，通用d s p 是可以应用到不同的场合 可以通过编程的方式来实现不同的功能。而专用的d s p 就只能在固定的场台下应用。 通常我们是按照d s p 芯片处理数据的格式来划分的，分为定点d s p 与浮点d s p 两种。 这里需要指出的是浮点d s p 可以按照定点的数据格式来处理数据。由于d s p 厂家众多， 所以市场的竞争也很大，这就使得d s p 产品的更新换代速度很快，例如德州仪器( t i ) 公司，就为不同的领域应用，开发出了许多不同型号的o s p 芯片。比方说，t m s 3 2 0 系列比较常用的就有c 2 0 0 0 系列，主要用于机电控制领域：c 5 0 0 0 系列，主要应用于通 信领域；c 6 0 0 0 系列，主要应用于图像处理领域。 那么t m $ 3 2 0 系列为什么会有这么大的市场份额呢? 笔者认为，主要是由以下 几个方面决定的：首先，它的指令集极其丰富，使编程人员可以很方便的开发出理想 的执行程序：其次，片内外设极其丰富，使用t m s 3 2 0 的d s p 可以节省很大的成本的 同时，也使得电路板的空间大大缩小了；再有值得一提的就是它的并行结构，当然， 作为数字系统的核心处理器，最重要的就是运算能力一定要快这一点也是这个系列 较为突出的优势。d s p 的典型应胥如表3 一l 所列。 表3id s p 的典型应用 通用图形图像工业 卷积模式识别数字控制 数字滤被工作站机器入 快速傅立叶变换图像压缩安全防护 自适应滤波 仪器仅表医学 军事 谱分析助听器 图像处理 函数产生 整形术导航 锁相习：超声设备安全通信 通信电讯语音 数据加密 传真语音识别 蜂窝电话视频会议语音合成 数字用户交换机语音邮箱 33t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片介绍 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是一款十六位的数字信号处理器属于c 2 0 0 0 系列是一款十分常 用的控制芯片，也是t i 公司较早专门为控制电机而研制的。t m s 3 2 0 f 2 4 0 属于定点d s p ， 它的制造工艺采用的是高性能静态的c m o s 集成电路，在结构设汁方面，应用的是经 过改良的哈佛结构，程序存储器和数据存储器分别使用各自的总线，这一设计使得 d s p 在处理数据的时候，速度上有了很大的提高。丰富的片内外设使得该芯片在开 发控制系统时十分的方便，下面做一下简单的介绍，有一个取口r a m ，容量为5 4 4 字， 一个f l a s h 闪违存储器，容量为1 6 k ，强调一下，在片内外设中，不含有r o l , i ，还有积 十位的模数转换器( a d c ) i 0 引脚数是2 8 个，】6 位通用定时器，事件管理器 还 有比较p w m 通道，同步串行口一个，异步串行口一个速度是2 0 m i p s ，除此之外还 有一个时钟模块，它是带有锁相环的，有一个3 t a g 接口模块，可以下载以及仿真， 可以较方便的调试程序做出及时的修改，正因为t m s 3 2 0 f 2 4 0 在片内集成了如此丰 富而叉强大的功能，使得t m s 3 2 0 f 2 4 0 非常适用于自动控制系统的应用，这也就是为 什么本系统选用t m s 3 2 0 f 2 4 0 作为整个控制器的核心微处理器的原因它的特点可以 归纳为如下几点：功耗小，并行度高，操作便利，价格合理，速度快等，下面图3 2 和图33 分别是t m s 3 2 0 f 2 4 0 引脚图与内部结构图。 一 蕹鋈曼 疆爹 圉32 引脚图 ：b 基 一，箍疆 腿=：蘑五万 墅一 啦型 塑此未 孓童雪墓嚣墓嚣墓墓墓 0嘻=。秀罐鬟荔一 图33 内部结构图 331 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的电路原理图 图34 电路原理图 34c p l d 应用的简介 c p l d 的英语名全称是c o m p l e xp r o g r a r m a b i el o g icd e v l c e 中文名全称是复杂 可编程逻辑器件，它的上一代产品是p a l 和g a l 器件，它的内部结构非常复杂，可以 说是种大规模的集成电路，用户在使用时，可以通过编程的方式，来设计出自己想 要的逻辑电路，换句话说，就是可以通过一个开发软件来进行设计与开发( 后面会详 细介绍c p l d 的开发软件) ，可以通过输人原理图，也可以通过硬件描述语言来生成相 应的代码，最终实现一个数字系统，这在以前是需要很多器件才可以措建的数字系统 现在就都可以集成到一块芯片上了成本降低的同时，电路板的空间也大大减少了。 下面对c p l d 的内部结构做一下详细的介绍。 c p l d 的内部主要是由可编程宏单元所组成，宏单元是c p l d 中用于实现逻辑功能的 最小单元，我们以m a x t 0 0 0 中的宏单元为例进行说明，从图35 中我们可以清晰的看 出，宏单元实际上是由与阵列和乘积项选择模块，以及可编程寄存器这几部分组成， 它们各自的作用是：首先逻辑阵列会生成乘积项然后乘积项选择模块会选出指定乘 积项作为或门或者是异或门的输入和控制信号，最后配置寄存器可以配置成阱下几 种触发器d 触发器t 触发器，l i k 触发器以及r s 触发器。 飞 丁。i l i 普出= l 儿 峰 二二划鬻p 耕j 赫r 一 。瓯 ：譬象 田35m a x 7 0 0 0 中的宏单元 以上为c p l d 中用于实现逻辑功能的最小单元，下面介绍逻辑阵列块。 逻辑阵列块( l o g i ca r r yb l o c k ) ，简称l a b ，每个逻辑阵列块部包含1 6 个宏单元， 可编程的连接线阵列把各个逻辑阵列块连接到了一起在此基础上，再添加上全局时 钟全局信号以及输入输出控制单元，这就组成了m a x 7 0 0 0 芯片复杂的内部结构。详 见訇36 。 图36m x 7 0 0 0 芯片的内部结构 与f p 6 a 相比，c p l d 的内部结构是十分紧凑的，其中用于选择路由的选择器的数量 很少，因而c p l d 可以提供较好的电路性能，但也存在着一些弊端，由于c p l d 内部的 寄存器较少、昕以实现大规模的时序逻辑电路时，便不能使用c p l b 。通过对比可以了 解到，c p l d 最适合的是实现复杂的组合逻辑，这是固为他的内部含有丰富的与阵列和 或阵列。下面对控制卡上选用的c p i ，d 芯片做简单的说明。 我们选用的c p l d 型号为e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 j ，是a l t e r a 公司生产的属于m a x 7 0 0 0 系列，内部有可用门单元数是2 5 0 0 个，最大的管脚延迟是5 纳秒它的工作电压是t j v 它的主要特点有高阻抗，电可擦等。图37 给出c p l d 的电路原理圉。 圈37c p l d 的电路原理国 35 双口r a m 简介 双口r a m 是一种很特别的数据存储芯片，它的数据线、地址线、和读写控制线都 是有两套而且，它们之间是相互独立的，这就使得砜口r a m 能够让两个c p u 对同一 地址进行读写操作它具有两套完全独立的中断逻辑，可以实现c 兀之间的握手控制 信号，同时，它可以通过各自的“忙”逻辑来避免两个c p u 对双口r a m 的同一个地址 进行操作是发生冲麦。下面介绍一下我们所选择的取口r a m 即i d t 7 1 3 2 。 1 d t 7 1 3 2 是由美国i d t 公司生产的一种2 k x l 6 b i t 的双端口静态r o m ，当c e 引脚出 现下降沿时，即可选中d p r a m ，之后就可以通过控制o e 或者r w 来进行对内部存储器 的| 方问，1 d t 7 1 3 2 虽核心的部分就是存储器阵列，它是用来数据存储的两个相互独立 的瑞口都可以使用，下面介绍一下防止两个端口发生冲突的操作方法。 当两个端口不对同一个地址单元操作时b u s i r 和b u s y l 都是高电平，可以正常 存诸数据。但是，当左右两个端口对同一单元存取时，两个端口中就需要有一个端口 的b u s i 是低电平这时，要看左右两端口哪个的存取请求信号先出现，则哪边的b u s 就变成高电平，允许进行存取。其实，在实际应用中，我们为了避免两端同时对同一 个地址单元进行写入的操作授生，可以这样的进行设计，在i d t 7 1 3 2 中的存储空间分 成两部分，根据实际需要，可以分成不同的比例，从而使得i d t 7 13 2 的存储空间得到 充分利用的同时，又避免了冲突的发生。图38 给出双l ir a m 的结构原理图。 图38 双口r a m 的结构原理图 图39 是i d t 7 1 3 2 双口r a m 与i s a 总线的连接电路图 网39 双口r a m 与js a 总线的连接电路 3 6 计算机的总线结构 p c 总线是p c 机和x t 机中采用的系统总线标准，为了方便微机系统的扩展及各 个生产厂商的产品可以互相替换和互相连接，国际上根据微机的发展指定了许多总线 标准，比较常见的有p c 总线标准，i s a 总线标准，e i s a 总线标准，p c 】总线标准，u s b 总 线标准等。本课题选用的是】s a 总线标准，尽管现在主流的计算机总线是p c i 总线标 准，但在实际的工程中，报多工程师还是对 s a 总线更加熟悉，所以使得i s a 总线标 准的接口在所有计算机中都有所保留。下面对i s a 总线标准做简单的介绍。 由于p c 总线仅适用于8 位数据的传送，所以i b m 提出了i s a 总线标准，以便 可以进行1 6 位数据的传送ti s a 总线标准的数据传输率可以最高达到每秒8 m b ，而地 址总线的宽度达到了2 4 位，最高了支持高达1 6 m b 的内存，为了能p c 总线达到兼容， 在p c 总线基础上i s a 总线延伸出了一段插槽。洋见圈31 0 。 i s a 插槽 图31 0i s a 总线插槽 i s a 总线一共有9 8 根信号线。分为a b c d 四个面，a b 面为长槽c d 面为段槽 图3 1 1 给出i s a 总线9 8 个引脚的分布情况。 圈31 1 i s a 总线9 8 个引脚的分布情况 圈31 2 给出可变址译码电路设计详情。我们是利用双四位同步数字比较器 7 4 ls 6 8 8 与d i p 开关来进行搭建的。 一一生芷盘坚一。蕈簪蒂莩藜藜誉生堂 礤嚣鲻惑墨嚣篙嚣蓬鬻 船器蠹f|画潞鼎豁黜黜嚣嚣萎熹嚣嚣搿 。习蚕寮畜豸宴司阡f蚕 目31 2 “】变址详码电路 37 电磁谐振式激振器的驱动电路设计 在整个疲劳试验机中最为重要的执行机构就是激振器，激振器驱动电路性a 的 好坏会直接影响着最终整个试验机的性能，因此，本驱动电路的设计是十分重要的一 个环节。 我们选用的驱动器是富士公司的e x b 8 4 1 混合i c 驱动器e x b 8 4 l 能驱动 d o o a 6 0 0 v 的i g b t 和高达3 0 0 a 1 2 0 0 v 的i g b t ，由于驱动电路信号延迟小于等于1 微 秒，昕以，此混台i c 可以应j i j 于高约4 0 k b z 的开关操作。在设计驱动电路的过程中， 有一些相关的注意事项，首先i g b t 的栅极与射极的驱动回路的连线距离不能太长， 最好保持在小于1 口的范围内，距离太长的话，台导致电能损耗太大从而不能很好 的驱动檄振器。其次，i g b t 的栅极与射极的接线除了长度的要求，还有村质的要求， 必须使用绞线。再有，若是在i g b t 的集电极中有较大的电压尖脉冲产生，那么必须 要在射极的栅极串联一个电阻。最后需要注意的是，在电路的设计中，需要使用电容， 容量最好为4 7 微法，作用是用来吸收由于电源接线附抗所引起的供电电压变化需 要指出的是，他并不能起到电源滤波的作用如需要对电源滤波t 还要另行设计滤波 电路。图31 ：j 和图314 分别给出了e x b 8 4 1 的实物图与内部结构图： 图3 1 4内部结构图 下面对驱动器e x b 8 4 1 的内部结构做简单的介绍： l 、信号隔离器 e x b 8 4 1 内部含有高隔离电压的光电耦台器进行信号隔寓混合i c 驱动器e x b 8 4 l 可以用在4 8 0 v a c 为动力的设备上。由于驱动电路的延时主要取决于光耦合器的特性， 所以，光耦合器的性能十分重要。 2 、驱动放大器 驱动放大器是运用两个三极管组成的一个电流放大电路。 3 、过流检测器 i g b t 由于其器件工艺与放大原理的关系，能够抵抗的短路过流短时间只有1 0 微秒，这就要求一定要有一个速度极快的保护电路，那么，我们所选用的这个混 合i c 就装有一个过流保护电路，它的原理是按照驱动信号与集电