基于FPGA技術高頻疲勞試驗機控制器的設計

1簡介

現場可編程門陣列FPGA（FieldProgrammable Gate Array）是美國Xilinx公司于1984年首先開發的一種通用型用戶可編程器件。FPGA既具有門陣列器件的高集成度和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。

FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I/O單元陣列構成，一個FPGA包含豐富的邏輯門、寄存器和I/O資源。一片FPGA芯片就可以實現數百片甚至更多個標準數字集成電路所實現的系統。

FPGA的結構靈活，其邏輯單元、可編程內部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可以實現任何邏輯功能，滿足各種設計需求。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復雜系統的設計。使用FPGA還可以實現動態配置、在線系統重構（可以在系統運行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統具備多種空間相關或時間相關的任務）及硬件軟化、軟件硬化等功能。

鑒于高頻疲勞試驗機控制器控制規模比較大，功能復雜，故我們在研制過程中，在傳統試驗機控制器的基礎上，通過FPGA技術及微機技術兩者的結合，來全面提升控制器系統的性能，使整機的工作效率、控制精度和電氣系統可靠性得到了提高，且操作方便而又不乏技術的先進性。

2控制器結構及內容

本控制系統的總體結構，下位機是整個高頻疲勞試驗機控制器的核心。用于實現產生控制試驗機的控制信號和數據，反饋信號的處理，以及和上位機進行數據通信。其控制功能強弱也直接影響著整個控制器性能的好壞。圖中波形發生器是用于激勵和保持電磁激振器的振動。在此，波形發生器應輸出正弦波。

3系統采取的技術路線

系統在實現技術參數、功能要求的基礎上，結合目前微機及FPGA等微電子技術，采取了以下主要技術路線：

（1）下位機是系統控制的核心。由于本系統控制規模相對比較復雜，控制對象具一定特殊性（如高頻率，高負荷等），且牽涉到控制電機，故不采用傳統的8位機，而是考慮采用功能相對更強大，速度更快的16位機—87C196系列。

（2）激振器要求輸入波形為正弦波，試驗的頻率范圍為80～250Hz.另外，系統還應該能夠進行掃頻試驗。在掃頻試驗中，系統以1Hz為步長進行掃頻（粗調），再在粗調的基礎上進行微調（以0.1Hz為步長），以確定系統的共振點。可以看出，能產生精度為0.1Hz波形的電路模塊是整個系統設計中很關鍵的一部分，也是設計難點之一。這部分如通過單片機或其它專用芯片則不能或很難實現。系統采用FPGA作波形發生器，見圖1中虛線框所示部分。這樣做的優點是：高速（一般芯片頻率至少幾十兆，甚至上百兆）且能滿足上述精度要求；采用數字電路實現，抗干擾性好；能把其它邏輯電路也集成至該芯片中，省掉了許多分立元件，同時也減少了體積；能夠按需改變波形。

（3）直流調速通過變壓實現，而變壓則通過采用晶閘管的可控整流器來完成。通過單片機輸出可變電壓給移相觸發器，觸發器輸出可控導通角給可控整流器，實現電機速度的調整。有利于提高系統的可靠性。

（4）系統部分重要信號用數字濾波器濾波，該數字濾波器用FPGA實現。與軟件濾波相比，此方法有利于改善信號的濾波效果，且濾波速度得到很大提高。

4部分模塊設計

FPGA部分可劃分成兩個模塊，其中正弦波發生器模塊又可細分成幾個小模塊，如圖2所示。

4.1鎖存器設計

鎖存器用來將單片機送來的頻率數據鎖存穩定在FPGA中，可以用片內的鎖存器資源（或用觸發器）來構成。

4.2運算器設計

運算器是用來將頻率數據轉換成正弦波點與點之間的定時數據。該運算器實際上最終可轉換成一除法器。該除法器描述如下：

—VECTOR（WIDTH—R-1 DOWNTO 0））；

END COMPONENT；

上述描述實際上是調用了Altera公司的參數化模塊庫（LPM）中的一個元件。元件描述后，只要在程序中用Generic map和port map語句映射該元件即可。所要注意的是，上述口信號remainder是numerator和denominator模運算的結果，所以應將remainder與denominator/2相比較，實際結果應在比較的基礎上決定加1還是不加1.

4.3定時器設計

定時器根據運算器傳來的定時數據定時。它可以通過對基準時鐘計數來實現，當定時時間一到，就觸發波形的輸出。

設計中采用了兩個計數模塊來同時計數，一個模塊計數時鐘的上邊沿，而另一模塊則計數時鐘的下邊沿。這樣相當于使系統時鐘頻率提高了一倍，充分利用了系統資源。

4.4波形輸出

波形輸出是當定時器滿足定時要求觸發后就輸出此時的正弦值，多個點的觸發輸出就形成了一個正弦波。

為節省芯片資源，這部分求某時正弦值的功能不采用構造運算器來算出正弦值，而是利用查表結構。象Xilinx公司FPGA芯片則可以利用CLB塊來配置RAM或直接利用Logiblox來生成。還有象Altera公司的Flex10k系列就用查找表結構（LUT）來構建片內ROM或RAM.在工程文件中創建RAM或ROM塊以后，可以通過將各時刻的正弦值（以ASCII字符表示）寫進MIF文件（初始化文件）中，從而存儲在RAM或ROM塊中。在定時器觸發后生成該時的地址，通過查詢該RAM或ROM塊就可輸出該時得正弦值。

5芯片的具體實現

本系統的FPGA采用Altera公司的Flex10k系列芯片。芯片利用開發軟件Max+plusII將各個模塊（圖1虛線框部分）用VHDL語言描述并輸入，由軟件自動編譯、綜合、布局和布線，生成編程用的數據文件，加載到FPGA的配置存儲單元。對FPGA芯片進行配置可有多種模式，由于本系統中有單片機，所以采用串行從模式，省掉了用一片EPROM來存儲編程數據。當系統上電時，單片機自動將存在其內部的配置數據送到FPGA內部存儲單元中。

這個技術基本上多運用于電路方面。