基于FPGA技术高频疲劳试验机控制器
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2020-08-28
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基于基于FPGA技术高频疲劳试验机控制器技术高频疲劳试验机控制器
现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户
可编程器件。FPGA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。
FPGA简介
现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。
FPGA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。
FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源。一
片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。
FPGA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FPGA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。
鉴于高频疲劳试验机控制器控制规模比较大，功能复杂，故我们在研制过程中，在传统试验机控制器的基础上，通过FPGA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，使整机的工作效率、控制精度和电气系统可靠性得到了提高，且操
作方便而又不乏技术的先进性。
2 控制器结构及内容
本控制系统的总体结构,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。其控制功能强弱也直接影响着整个控制器性能的好坏。波形发生器是用于激励和保持电
磁激振器的振动。在此，波形发生器应输出正弦波。
3 系统采取的技术路线
系统在实现技术参数、功能要求的基础上，结合目前微机及FPGA等微电子技术，采取了以下主要技术路线：
(1)下位机是系统控制的核心。由于本系统控制规模相对比较复杂，控制对象具一定特殊性(如高频率，高负荷等)，且牵涉到控
制电机，故不采用传统的8位机，而是考虑采用功能相对更强大，速度更快的16位机—87C196系列。
(2)激振器要求输入波形为正弦波，试验的频率范围为80～250Hz。另外，系统还应该能够进行扫频试验。在扫频试验中，系
统以1Hz为步长进行扫频(粗调)，再在粗调的基础上进行微调(以0.1Hz为步长)，以确定系统的共振点。可以看出，能产生精度
为0.1Hz波形的电路模块是整个系统设计中很关键的一部分，也是设计难点之一。这部分如通过单片机或其它专用芯片则不能
或很难实现。系统采用FPGA作波形发生器，见图1中虚线框所示部分。这样做的优点是：高速(一般芯片频率至少几十兆，甚
至上百兆)且能满足上述精度要求;采用数字电路实现，抗干扰性好;能把其它逻辑电路也集成至该芯片中，省掉了许多分立元
件，同时也减少了体积;能够按需改变波形。
(3)直流调速通过变压实现，而变压则通过采用晶闸管的可控整流器来完成。通过单片机输出可变电压给移相触发器，触发器
输出可控导通角给可控整流器，实现电机速度的调整。有利于提高系统的可靠性。
(4)系统部分重要信号用数字滤波器滤波，该数字滤波器用FPGA实现。与软件滤波相比，此方法有利于改善信号的滤波效果，
且滤波速度得到很大提高。
4 部分模块设计
FPGA部分可划分成两个模块，其中正弦波发生器模块又可细分成几个小模块，如图2所示。
4.1 锁存器设计
锁存器用来将单片机送来的频率数据锁存稳定在FPGA中，可以用片内的锁存器资源(或用触发器)来构成。
4.2 运算器设计
运算器是用来将频率数据转换成正弦波点与点之间的定时数据。该运算器实际上最终可转换成一除法器。该除法器描述如下：
—VECTOR(WIDTH— R-1 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
上述描述实际上是调用了Altera公司的参数化模块库(LPM)中的一个元件。元件描述后，只要在程序中用Generic map和port
map语句映射该元件即可。所要注意的是，上述口信号remainder是numerator和denominator模运算的结果，所以应将
remainder与denominator/2相比较，实际结果应在比较的基础上决定加1还是不加1。
4.3 定时器设计
定时器根据运算器传来的定时数据定时。它可以通过对基准时钟计数来实现，当定时时间一到，就触发波形的输出。
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