CN104199334A - 基于fpga的高频疲劳试验机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，它包括一个FPGA中央处理模块，所述FPGA中央处理模块连接一个AD采集模块、一个DA模块、一个PWM模块、一个光电编码脉冲计数模块、一个串口模块、一个以太网通信模块、一个存储模块和一个电源模块。本发明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，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。

Description

基于FPGA的高频疲劳试验机控制器

技术领域

本发明涉及的是一种基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，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。

背景技术

高频疲劳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实验的机器。其特点是可以实现高负荷、高频率、低功耗，从而缩短实验时间，降低试验费用，是我国工业发展的主要测试设备之一。传统的高频疲劳试验机控制器主要通过光学放大机构来直接测力或这幅，内部采用大量分立元件，所带来的问题有：读数不方便；结构比较复杂，控制精度不高；由于采用大量分立元件，系统稳定性差，易受外界干扰；操作比较繁琐。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。因此通过FPGA技术及微机技术两者的结合，全面提升控制器系统的性能成为研究的新方法。

发明内容

本发明的目的是针对于现有技术的不足，提供一种基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，

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，其控制功能强弱也直接影响着整个控制器性能的好坏。

本发明通过以下技术方案进行实现：一种FPGA高频疲劳试验机控制器包括一个中央处理控制模块，其特征在于：所述中央处理器控制模块连接一个高精度AD采集模块、一个DA控制模块、一个PWM差分输出模块、一个光电编码脉冲计数模块、一个RS232串口通信模块、一个以太网通信控制模块、一个存储电路模块和一个电源模块。

所述的中央处理控制模块是由FPGA控制芯片、时钟电路、复位电路、SDRAM存储芯片、EPCS存储芯片、AS接口电路、JTAG接口电路构成。中央处理控制模块连接高精度AD采集模块对试验机压力、拉力进行数据采集；中央处理器控制模块连接DA控制模块驱动试验机电液伺服阀的控制信号、中央处理器控制模块连接PWM差分输出模块控制实验室伺服驱动器驱动伺服电机、中央处理器控制模块连接光电编码器计数模块测量试验机电机转速、中央处理控制模块连接RS232串口通信模块用于硬件电路测试、中央处理控制模块连接存储电路模块用于记录试验机采集的重要信息与控制器设备ID号、中央处理器控制模块连接以太网通信控制模块完成与上位机网络通信，主要包括向上位机发送采集到的数据信号同时接收上位机发来的控制信号控制试验机工作、中央处理器模块连接电源模块为整个控制器供电。

所述的AD模块，包括滤波电路、电压放大芯片、AD转换芯片；采集模拟信号通过滤波电路进行信号滤波、经过电压放心芯片进行模拟电压信号放大、经过AD转换芯片模拟信号转换为数字信号传入中央处理控制模块。

所述的DA模块，包括DA转换芯片、可控电压放大芯片；中央处理器模块发送的数字信号经过DA转换芯片、可控电压放大芯片之后转换为所需的模拟信号。

所述的PWM差分输出模块，包括高速光电隔离芯片、差分输出驱动芯片；中央处理器模块发出可调节PWM信号，经高速光电隔离芯片去除干扰信号传入差分输出驱动芯片，可输出两路互补PWM和高低电平。

所述的光电编码脉冲计数模块，包括光电隔离芯片、双施密特逆变器芯片；光电编码器信号经光电隔离芯片去除干扰信号后通过双施密特逆变器芯片稳定信号输入中央处理器模块。中央处理器模块通过对输入信号的相位判定进行脉冲计数。

所述的RS232串口模块，包括串口、电平转换芯片，PC机通过串口连接中央处理器模块，实现串口通信。

所述的以太网通信模块，包括以太网控制芯片，以太网接口，PC机通过网线连接以太网接口，数据经过以太网控制芯片后传至中央处理模块实现以太网数据通信。

所述的存储模块主要为EEPROM，记录重要参数和设备ID号。

所述的电源模块主要为5V-3.3V、5V-1.8V、3.3V-1.2V电源转换芯片，电源模块为整个控制器供电。

 

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实际性特点和显著技术进步：

    1试验机控制器首次采用可编程逻辑门阵列FPGA来实现控制，增强系统抗干扰性，提高了控制精度，同时简化了调试。

    2首次将数字化的控制模块运用在试验机领域，填补了试验机数字领域的空白。

3控制器通过FPGA实现了程序的并行执行，使试验机控制的速度更快。

附图说明

图1控制器总原理框图

图2 AD模块原理图

图3 DA模块原理图

图4 PWM模块原理图

图5 光电编码脉冲计数原理图

图6 以太网通信原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：

参见图1，本基于FPGA的高频疲劳试验试机控制器。包括一个FPGA中央处理模块（1）、一个AD模块（2）、一个DA模块（3）、一个PWM模块（4）、一个光电编码脉冲计数模块（5）、一个串口模块（6）、一个以太网通信模块（7）、一个存储模块（8）和一个电源模块（9）。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特征之处如下：

图2示出AD模块（2）：模拟信号AI2+、AI2-进入一个共模滤波器（11），该滤波器的两个输出端分别经两个电阻（12、14）连接一个电容C1（13）两端，该电容C1（13）一端连接一个电容C2（16）接地，该电容C1（13）的另一端连接一个电容C3（15）接地，电容C1（13）两端信号接入一个电压放大芯片（21）的2、3引脚。该电压放大芯片（21）1引脚与8引脚通过一电阻相连，4引脚接入电容C4（19）接地，4引脚接一个电感线圈（20）接入-12v电压，4引脚接入一个电压调节芯片（25）的4引脚、电压放大芯片（21）5引脚与电压调节芯片（25）的6引脚相连，电压放大芯片（21）7引脚与电容C5（18）相连接地，7引脚与电感线圈（17）相连接入12v电压，电压放大芯片（21）6引脚接一个电阻R1（22）接入电压调节芯片（25）的2引脚，同时2引脚接一个电阻R2（23）与6引脚相连，电压调节芯片（25）3引脚与电压2.5V相连，7引脚与一个电感线圈（24）连接12V电压，6引脚连接一个电阻R3（27）接入一个AD转换芯片（28），电压调节芯片（21）6引脚连接电阻R4（26）接入该AD转换芯片（28）。

图3示出DA模块（3）：它包括一个DA转换芯片DAC8831(30)和一个电压调节芯片OPA2277(31),DA转换芯片（30）3、4引脚与地相连，5、6引脚与电源模块（9）提供的电压相连，7、8、10作为CS 、SDI 、SCLK信号与FPGA中央处理模块（1）相连，10、 11引脚与地相连，1、2、13引脚分别与电压调节芯片OPA2277(31)的1、3、2相连，电压调节芯片（31）4引脚接电容接地，同时4引脚接磁珠（36）与-12V电压相连，5引脚与1引脚相连，6引脚接电阻（34）与引脚7相连直接作为DA模块输出，引脚8接电容（32）接地，同时接磁珠（33）接入正12V电压。    

图4示出PWM输出模块（4）：FPGA中央处理模块（1）输出pwm、direction信号，pwm信号接电阻（37）连入光电隔离芯片1（38）引脚1、引脚3接地，引脚6接电容（39）接地，同时接5V电压，引脚4与地相连，引脚5接电阻（40）接5V电压，接电容（42）与地相连、同时接入差分驱动芯片（44）引脚1。direction信号接电阻（29）接入光电隔离芯片2（45）引脚1，光电隔离芯片2（45）3、4、6引脚与（38）连接相同，光电隔离芯片2（45）引脚接电阻（41）与差分驱动芯片（44）引脚7相连。

图5示出光电编码脉冲计数模块（5）：6输入信号3PAIN+通过电阻（47）与光电隔离芯片3（49）引脚1相连，3PAIN-与光电隔离芯片3（49）引脚3相连，光电隔离芯片3（49）引脚6与5V相连，引脚4接地，引脚5通过电阻（50）与5V相连，通过电容（20）与地相连，通过电阻（53）接入双施密特逆变器芯片（54）引脚1。3PBIN+通过电阻（48）与光电隔离芯片4（56）引脚1相连，3PBIN-与光电隔离芯片4（56）引脚3相连，引脚4、6与光电隔离芯片（49）相同，引脚5通过电阻（51）接5V电压，通过电阻（55）接入双施密特逆变器芯片（54）引脚3，芯片（54）引脚2接地，引脚5接3.3V，引脚4、6输出信号接入中央处理模块（1）。    

本发明的具体工作过程如下：

试验机压力、拉力传感器信号通过AD模块进行数据采集，经过滤波放大之后传入FPGA中央处理模块，进行处理后通过以太网通信模块传入PC机，在PC机进行判断之后通过以太网通信模块发出控制指令，FPGA中央控制模块通过控制指令发送信号到PWM模块，通过PWM模块输出信号控制步进电机速度与方向，光电编码脉冲计数模块通过光电编码器计算电机速度，同时把速度信号传入中央处理器模块，整个过程形成闭环控制。 

Claims (5)

1.一种基于FPGA的高频试验机控制器，包括一个FPGA中央处理模块（1）、其特征在于：所述FPGA中央处理模块（1）连接一个AD采集模块（2）、一个DA模块（3）、一个PWM模块（4）、一个光电编码脉冲计数模块（5）、一个串口模块（6）、一个以太网通信模块（7）、一个存储模块（8）和一个电源模块（9）。

2.根据权利1所述的基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，其特征在于所述AD采集模块（2）的电路结构：模拟信号AI2+、AI2-进入一个共模滤波器（11），该滤波器的两个输出端分别经两个电阻（12、14）连接一个电容C1（13）两端，该电容C1（13）一端连接一个电容C2（16）接地，该电容C1（13）的另一端连接一个电容C3（15）接地，电容C1（13）两端信号接入一个电压放大芯片（21）的2、3引脚；该电压放大芯片（21）1引脚与8引脚通过一电阻相连，4引脚接入电容C4（19）接地，4引脚接一个电感线圈（20）接入-12v电压，4引脚接入一个电压调节芯片（25）的4引脚、电压放大芯片（21）5引脚与电压调节芯片（25）的6引脚相连，电压放大芯片（21）7引脚与电容C5（18）相连接地，7引脚与电感线圈（17）相连接入12v电压，电压放大芯片（21）6引脚接一个电阻R1（22）接入电压调节芯片（25）的2引脚，同时2引脚接一个电阻R2（23）与6引脚相连，电压调节芯片（25）3引脚与电压2.5V相连，7引脚与一个电感线圈（24）连接12V电压，6引脚连接一个电阻R3（27）接入一个AD转换芯片（28），电压调节芯片（21）6引脚连接电阻R4（26）接入该AD转换芯片（28）。

3.根据权利1所述的基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，其特征在于所述DA模块（3）， 包括一个DA转换芯片DAC8831(30)和一个电压调节芯片OPA2277(31),DA转换芯片（30）3、4引脚与地相连，5、6引脚与电源模块（9）提供的电压相连，7、8、10作为CS 、SDI 、SCLK信号与FPGA中央处理模块（1）相连，11、12引脚与地相连，1、2、13引脚分别与电压调节芯片OPA2277(31)的1、3、2相连，电压调节芯片（31）4引脚接一电容接地，同时4引脚接电感线圈（36）与-12V电压相连，5引脚与1引脚相连，6引脚接一个电阻（34）与引脚7相连直接作为DA模块输出，引脚8接一个电容（32）接地，同时接电感线圈（33）接入正12V电压。

4.根据权利1所述的基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，其特征在于所述PWM输出模块（4）：FPGA中央处理模块（1）输出pwm、direction信号，pwm信号接一个电阻（37）连入一个光电隔离芯片1（38）引脚1、引脚3接地，引脚6接一个电容（39）接地，同时接5V电压，引脚4与地相连，引脚5接一个电阻（40）接5V电压，接一个电容（42）与地相连、同时接入一个差分驱动芯片（44）引脚1，direction信号接一个电阻（29）接入一个光电隔离芯片2（45）引脚1，该光电隔离芯片2（45）3、4、6引脚与光电隔离芯片1（38）连接相同，光电隔离芯片2（45）引脚接一个电阻（41）与差分驱动芯片（44）引脚7相连。

5.根据权利1所述的基于FPGA的高频疲劳试验机控制器，其特征在于所述的光电编码脉冲计数模块（5），输入信号3PAIN+通过一个电阻（47）与一个光电隔离芯片3（49）引脚1相连，3PAIN-与光电隔离芯片3（49）引脚3相连，光电隔离芯片3（49）引脚6与5V相连，引脚4接地，引脚5通过一个电阻（50）与5V相连，通过一个电容（20）与地相连，通过一个电阻（53）接入一个双施密特逆变器芯片（54）引脚1,3PBIN+通过一个电阻（48）与一个光电隔离芯片4（56）引脚1相连，3PBIN-与光电隔离芯片4（56）引脚3相连，引脚4、6与光电隔离芯片3（49）相同，引脚5通过一个电阻（51）接5V电压，通过一个电阻（55）接入双施密特逆变器芯片（54）引脚3，双施密特逆变器芯片（54）引脚2接地，引脚5接3.3V，引脚4、6输出信号接入中央处理模块（1）。