CN104331000A - 一种基于fpga的数字随动控制系统 - Google Patents

一种基于fpga的数字随动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的数字随动控制系统，包括控制部分、实验箱、外围机组以及电源电路；所述的控制部分包括USB模块、TFT模块、键盘和FPGA模块，所述的FPGA模块选用Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208作为核心处理器，所述的电源电路包括LDO线性稳压器和DC/DC开关稳压器，该基于FPGA的数字随动控制系统结构简单、成本低廉，配置D/A控制模块、LCD液晶显示模块、按键矩阵输入模块等，以达到良好的控制效果，同时扩展了32路输入输出模块、RS-485/422通讯模块、USB通讯及以太网通讯等模块，以方便数字随动系统日后进行功能升级和改造。

Description

一种基于 FPGA 的数字随动控制系统
技术领域
本发明属于数字随动控制技术领域，尤其涉及一种基于 FPGA的数字随动控制系统，该数字随动系统可以控制电机在不同算法及不同跟踪方式下到达指定位置，同时显示电机跟踪曲线，方便研究人员验证电机控制算法以及检测电机工作状况。
背景技术
数字随动系统指的是以计算机(包含微控制芯片)为核心控制器的随动系统。随着计算机技术的迅猛发展，自动化技术的不断提高，对随动系统也提出了精度更高、响应更快的要求，此外，为了实现上级控制器对随动系统进行管理和控制，还要求能与上级控制器进行信息交换。这些功能用模拟电路实现既不经济，又较困难。随着微机系统及相关控制技术的发展，数字随动系统的控制精度、响应速度、环境适应能力都更加突出，且体积小，操作方便。同时，微控制芯片能够方便地构成各式的函数发生器，可以准确地模拟自动控制系统中各种非线性环节，控制系统的品质得到了很大提升。此外，在硬件结构无法改变的情况下，可以利用软件灵活可修改的特性实现不同的控制方案。综上可知，数字随动控制系统相对于模拟随动控制系统，在各项功能上有了明显改进，这也促使随动控制系统的各项技术指标有了很大的提高。所以，在保证可靠性的前提下，数字随动系统在很多场合逐步代替模拟随动系统，这是科技发展的必然趋势。所以对数字随动系统的研究是十分必要的。
随着电力电子技术的不断发展，可控型大功率半导体器件在电流、电压等级，开关速度和对驱动电路的要求上都得到了很大提升。且随着大规模集成电路的发展，随动系统中的伺服元件（如位置、速度等检测元件）也都趋于数字化、集成化，如各种编码器和数字式测速元件。这促使利用脉冲宽度调制技术（利用电力电子器件）进行功率驱动，并嵌入微控制芯片实施控制的随动系统成为主流。
随着微电子技术及其制造工艺的不断发展，数字集成电路经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路、专业集成电路（ASIC）这几个过程，但由于专业集成电路（ASIC）设计时间长、改版耗资大，灵活性差等缺陷，其发展受到了一定程度地制约。随着市场需求的不断提高以及微电子制造工艺的更大发展，复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑器件（FPGA）逐步得到了广泛应用，新一代的FPGA还集成了中央处理器或者数字处理器内核，可以实现在一片FPGA上进行软硬件协同设计，为片上可编程系统（SOPC）的实现提供了强大的硬件支持。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种基于 FPGA的数字随动控制系统，本发明的数字随动控制系统结构简单、成本低廉，配置D/A控制模块、LCD液晶显示模块等，以达到良好的控制效果，同时扩展了32路输入输出模块、RS-485/422通讯模块、USB通讯及以太网通讯等模块，以方便数字随动系统日后进行功能升级和改造。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，包括控制部分、实验箱、外围机组以及电源电路；所述的控制部分包括USB模块、TFT模块、键盘和FPGA模块，所述的FPGA模块选用Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208作为核心处理器，FPGA模块同时与USB模块、TFT模块和键盘相连；所述的实验箱包括D/A模块、ASR模块、ACR模块、PWM整流模块、功率放大模块以及相应的反馈模块，所述D/A模块的接收端与FPGA模块相连，同时D/A模块的输出端与ASR模块之间，D/A模块输出的信号与测速电机的反馈信号叠加后输送到ASR模块，所述ASR模块的输出端与ACR模块相连，ASR模块的输出信号与功率放大模块的反馈信号叠加后输送到ACR模块，所述PWM整流模块连接在ACR模块的输出端与功率放大模块的接收端之间；所述的外围机组模块包括直流电机模块、测速电机模块、减速器模块和光电码盘模块，所述直流电机模块接在功率放大模块的输出端，同时输出端与测速电机模块和测速器模块相连，所述的减速器模块的输出端与光电码盘模块相连，光电码盘模块通过反馈模块与FPGA模块相连；所述的电源电路包括LDO线性稳压器和DC/DC开关稳压器，LDO线性稳压电路将+5V总输入电源降为+3.3V，再将+3.3V通过LDO线性稳压电路降为1.2V，为FPGA及相关外设部分进行供电，DC/DC开关稳压器将+5V电源经过升压、降压电路分别变为+7.5V和-7.5V，为D/A部分的相关放大电路进行供电。
该基于 FPGA的数字随动控制系统中，所述的FPGA模块的硬件电路包括JTAG调试单元、EPCS16配置芯片单元、SDRAM单元、按键矩阵、32路A/D扩展单元、32路I/O扩展单元和D/A单元，所述FPGA模块的硬件与USB接口、以太网接口、LCD接口、RS485/422接口和DB25并口相连，所述的SDRAM单元选用Hynix半导体公司的HY57V641620ELTP，所述的32路I/O扩展单元管脚可以根据用户的需要进行自定义分配，有效地降低了系统设计复杂度，所述的USB接口连接型号CY7C68013A的USB芯片；所述的RS485/422接口采用四线接口，具有单独的发送和接收通道，可以不控制数据方向，所述的以太网接口连接28脚独立以太网控制器ENC28J60，符合IEEE 802.3协议。
该基于 FPGA的数字随动控制系统中，所述的电源电路采用LM1117系列低压差线性稳压器作为LDO线性稳压器，其中LM1117-3.3稳压电路将正5V转正3.3V，LM1117-1.2稳压电路将正3.3V转正1.2V；所述的电源电路采用DC-DC升压开关转换器ADP1610，完成正5V向正7.5V的转换，同时选用MAXIM公司的DC/DC反极性开关稳压器MAX765，完成正5V向负7.5V的转换。
该基于 FPGA的数字随动控制系统中，所述的D/A模块采用德州仪器的低功耗12位双通道电压输出型D/A转换器TLV5618，D/A模块接收EP2C8Q208输出数字控制信号，并对相应电压信号进行放大，通过DB25并行接口将电压信号传送到控制箱，完成电机控制；所述的D/A模块采用AD公司的四通道、轨到轨输出、单电源运算放大器OP747。
该基于 FPGA的数字随动控制系统中，所述的TFT模块采用3.2寸TFT彩色液晶屏，所述液晶屏分辨率为240×320，具有8080系列并行接口，TFT模块的驱动控制芯片采用SSD1289，所述的键盘采用欧姆龙的B3F-4055微型轻触开关。
本发明的有益效果是：
一种基于 FPGA的数字随动控制系统，使用Cyclone II 系列FPGA取代原数字随动系统中的计算机控制，系统主要包括三个部分：FPGA机控制部分、数字随动系统实验箱、外围机组，这三个部分通过PCI数据采集板卡进行通讯，达到准确控制电机位置的目的。FPGA控制模块发送控制命令，通过PCI数据采集板卡传送到实验箱，经过速度调节器、电流调节器、PWM电路、功率放大等环节，输出适当的电压控制电机转动，数据码盘将电机实时位置信息反馈回来，通过PCI数据采集板卡传回FPGA控制模块中进行相应的算法处理，FPGA控制模块再继续发送校正后的控制量，直至电机到达目标角度，如此构成一个速度、电流、位置三闭环反馈控制系统。
Cyclone II系列器件是Cyclone系列的第二代产品，属于Altera低成本FPGA系列。CycloneII系列器件容量是4608~68416个逻辑单元，还具有新的增强特性，包括多达150个嵌入18×18乘法器、最大1.1Mbit的嵌入存储器、锁相环、支持差分和单端I/O标准及外部存储器接口，支持驱动阻抗匹配及片内串行终端匹配。Cyclone II系列FPGA支持强大的片内热插拔以及上电顺序，确保器件不依赖上电顺序正确操作，同时实现了上电前和上电过程中对器件及三态I/O缓冲的保护，使Cyclone II系列FPGA成为多电压、高可靠性需求的系统的理想选择。
电源是数字随动系统中不可缺少的重要组成部分，为了方便数字部分和模拟部分的PCB布线，特将+5V电源分为数字5V和模拟5V，本发明总共需要7路电源：D5V（数字）、＋3.3V、+7.5、-7.5V、+1.2V、AVCC5V（模拟）、-5V。本发明采用+5V直流电源或者USB线进行供电，通过降压或升压方式分别得到以上各种电压值。本发明采用LDO线性稳压电路将+5V总输入电源降为+3.3V，再将+3.3V通过LDO线性稳压电路降为1.2V，为FPGA及相关外设部分进行供电。同时采用DC/DC开关稳压器，将+5V电源经过boost(升压)、buck(降压)电路分别变为+7.5V和-7.5V，为D/A部分的相关放大电路进行供电。同时，再利用LDO线性稳压电路，将经过DC/DC得到的+7.5V、-7.5V变换为AVCC5V和-5V，为A/D部分的相关放大电路进行供电，此部分电路与3.3V转1.2V电路类似。
本发明的外接SDRAM采用的是Hynix半导体公司HY57V641620ELTP，SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的特点，存储速度快且具有读/写的属性，在系统中主要用作程序的运行空间，或者作为大量数据的缓冲区。由于利用内嵌在EP2C8Q208中的NIOSII软核作为处理器进行控制，FPGA内置的RAM空间较小，难以满足NIOSII程序运行的空间需求，所以需要外接高速SDRAM。
数字随动控制系统结构简单、成本低廉，配置D/A控制模块、LCD液晶显示模块等，以达到良好的控制效果，同时扩展了32路输入输出模块、RS-485/422通讯模块、USB通讯及以太网通讯等模块，以方便数字随动系统日后进行功能升级和改造。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
图1是该数字随动控制系统的结构图；
图2是该系统FPGA模块的硬件电路；
图3是该系统的DC/DC升压电路图；
图4是该系统的DC/DC降压电路图；
图5是该系统的JTAG接口电路图；
图6是该系统A/D模块的AD8251芯片电路图；
图7是该系统 RS-422/RS-485通信接口电路图。
具体实施方式
图1是该数字随动控制系统的结构图，包括控制部分、实验箱、外围机组以及电源电路；所述的控制部分包括USB模块、TFT模块、键盘和FPGA模块，所述的实验箱包括D/A模块、ASR模块、ACR模块、PWM整流模块、功率放大模块以及相应的反馈模块，所述的FPGA模块选用Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208作为核心处理器，所述的外围机组模块包括直流电机模块、测速电机模块、减速器模块和光电码盘模块，其中FPGA模块的硬件电路包括JTAG调试单元、EPCS16配置芯片单元、SDRAM单元、按键矩阵、32路A/D扩展单元、32路I/O扩展单元和D/A单元，所述的电源电路包括LDO线性稳压器和DC/DC开关稳压器。
图2是该系统FPGA模块的硬件电路，包括JTAG调试单元、EPCS16配置芯片单元、SDRAM单元、按键矩阵、32路A/D扩展单元、32路I/O扩展单元和D/A单元，所述FPGA模块的硬件与USB接口、以太网接口、LCD接口、RS485/422接口和DB25并口相连，所述的SDRAM单元选用Hynix半导体公司的HY57V641620ELTP，所述的32路I/O扩展单元管脚可以根据用户的需要进行自定义分配，有效地降低了系统设计复杂度，所述的USB接口连接型号CY7C68013A的USB芯片；所述的RS485/422接口采用四线接口，具有单独的发送和接收通道，可以不控制数据方向，所述的以太网接口连接28脚独立以太网控制器ENC28J60，符合IEEE 802.3协议。
图3是该系统的DC/DC升压电路图，转换电路采用的是DC/DC升压电路，采用的是美国AD公司的DC-DC升压开关转换器ADP1610，其能够提供高达12 V的输出电压。ADP1610以脉冲宽度调制(PWM)电流模式工作，效率高达92%。具有可调软启动功能，可以防止启动时输入端涌入电流。能提供出色的瞬态响应及简便的噪声滤波，并且允许使用低成本的小型外部电感和电容。
图4是该系统的DC/DC降压电路图，选用MAXIM公司的DC/DC反极性开关稳压器MAX765，其最大输出电流250mA，输入电压范围为3V~16V，可调整的输出电压范围为-1V~-16V，输入输出电压范围都比较广。其在过负载时具有较高的效率，属于脉冲调制方式，正常工作时电路消耗低于120uA，且开关频率很高，能够使用很小的外部贴片元件，而不用考虑电磁干扰的问题。
图5是该系统的JTAG接口电路图，JTAG是联合测试工作组（Joint Test Action Group）的简称，是IEEE 1149.1边界扫描测试的标准接口，主要用于芯片内部测试。Altera FPGA基本上都可以支持由JTAG命令来配置FPGA的方式，而且JTAG配置方式比其他任何一种配置方式的优先级都高。JTAG接口由4个必要信号TD、ITDO、TMS、TCK和1个可选信号TRST构成。由于AS模式与JTAG模式在外围硬件上没有区别，且可以在Quartus II中将AS模式的.pof下载文件先转化为.jjc文件，再通过JTAG接口下载到串行配置芯片中。所以在实际电路设计中，为了节省印制电路板空间，本系统只保留了JTAG接口，不仅可以在线调试，还可以通过JTAG(.jjc)的方式实现程序固化，即相当于AS模式进行下载，EP2C8Q208芯片上有连接JTAG接口的专用管脚。
图6是该系统A/D模块的AD8251芯片电路图，AD8251是一款数字式可编程增益的仪表放大器，增益为1、2、4或8，输入电压范围是±5V~±15V，拥有GΩ级输入阻抗、低输出噪声、低失真等特性，适合用来进行数据采集。它拥有10 MHz带宽、−110 dB的低总谐波失真，以及达到0.001%精度时785 ns的快速建立时间。对于AD8251，用户可以采用两种不同的方式设置增益：第一种方式是用WR输入锁存通过总线发送的2比特字。第二种方式是用透明增益模式，即由增益端口处的逻辑电平状态决定增益。本系统采用的是第一种方式，当A1A0=00、01、10、11时，对应的AD8251增益为1、2、4、8。本系统中设置AD8251的放大倍数为1倍。AD8251的实际连接电路。输入端有单端输入和差分输入两种情况，主要由跳线的接法决定。可编程仪表放大器AD8251输出的电压经过OP747及其他运算放大器阻容网络进行修正调整，转换为特定范围的单端模拟信号后进入到AD转换器ADS7822中进行模数转换。
图7是该系统 RS-422/RS-485通信接口电路图-422接收器具有较高的输入阻抗，比RS-232具有更强的驱动能力，允许在一条传输线上最多连接10个节点，并支持点对多的全双工通信方式。RS-422采用四线接口，具有单独的发送和接收通道，所以可以不控制数据方向。RS-485标准弥补了RS-232通信距离短、传输速率低等缺点，其只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而未规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。RS-422/RS-485标准的最大传输距离为1219米左右，最大传输速率可达10Mbps。通常采用平衡双绞线作为传输媒介。平衡双绞线的传输速率与长度成反比，距离越短，传输速率越高。为了避免信号的反射和回波，RS-422/RS-485传输电缆需要端接阻抗匹配电阻，其阻值大小取决于电缆的阻抗特性，和电缆的长度无关。RS-422/RS-485一般采用双绞线连接，匹配电阻值一般在100Ω至140Ω之间，典型值为120Ω。
除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。
虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出种种改动和变动。

Claims (6)

1.一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，包括控制部分、实验箱、外围机组以及电源电路；所述的控制部分包括USB模块、TFT模块、键盘和FPGA模块，所述的FPGA模块选用Cyclone II系列FPGA芯片EP2C8Q208作为核心处理器，FPGA模块同时与USB模块、TFT模块和键盘相连；所述的实验箱包括D/A模块、ASR模块、ACR模块、PWM整流模块、功率放大模块以及相应的反馈模块，所述D/A模块的接收端与FPGA模块相连，同时D/A模块的输出端与ASR模块之间，D/A模块输出的信号与测速电机的反馈信号叠加后输送到ASR模块，所述ASR模块的输出端与ACR模块相连，ASR模块的输出信号与功率放大模块的反馈信号叠加后输送到ACR模块，所述PWM整流模块连接在ACR模块的输出端与功率放大模块的接收端之间；所述的外围机组模块包括直流电机模块、测速电机模块、减速器模块和光电码盘模块，所述直流电机模块接在功率放大模块的输出端，同时输出端与测速电机模块和测速器模块相连，所述的减速器模块的输出端与光电码盘模块相连，光电码盘模块通过反馈模块与FPGA模块相连；所述的电源电路包括LDO线性稳压器和DC/DC开关稳压器，LDO线性稳压电路将+5V总输入电源降为+3.3V，再将+3.3V通过LDO线性稳压电路降为1.2V，为FPGA及相关外设部分进行供电，DC/DC开关稳压器将+5V电源经过升压、降压电路分别变为+7.5V和-7.5V，为D/A部分的相关放大电路进行供电。
2.如权利要求1所述的一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，所述的FPGA模块的硬件电路包括JTAG调试单元、EPCS16配置芯片单元、SDRAM单元、按键矩阵、32路A/D扩展单元、32路I/O扩展单元和D/A单元，所述FPGA模块的硬件与USB接口、以太网接口、LCD接口、RS485/422接口和DB25并口相连，所述的SDRAM单元选用Hynix半导体公司的HY57V641620ELTP，所述的32路I/O扩展单元管脚可以根据用户的需要进行自定义分配，有效地降低了系统设计复杂度，所述的USB接口连接型号CY7C68013A的USB芯片；所述的RS485/422接口采用四线接口，具有单独的发送和接收通道，可以不控制数据方向，所述的以太网接口连接28脚独立以太网控制器ENC28J60，符合IEEE 802.3协议。
3.如权利要求1所述的一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，所述的电源电路采用LM1117系列低压差线性稳压器作为LDO线性稳压器，其中LM1117-3.3稳压电路将正5V转正3.3V，LM1117-1.2稳压电路将正3.3V转正1.2V；所述的电源电路采用DC-DC升压开关转换器ADP1610，完成正5V向正7.5V的转换，同时选用MAXIM公司的DC/DC反极性开关稳压器MAX765，完成正5V向负7.5V的转换。
4.如权利要求1所述的一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，所述的D/A模块采用德州仪器的低功耗12位双通道电压输出型D/A转换器TLV5618，D/A模块接收EP2C8Q208输出数字控制信号，并对相应电压信号进行放大，通过DB25并行接口将电压信号传送到控制箱，完成电机控制；所述的D/A模块采用AD公司的四通道、轨到轨输出、单电源运算放大器OP747。
5.如权利要求1所述的一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，所述的TFT模块采用3.2寸TFT彩色液晶屏，所述液晶屏分辨率为240×320，具有8080系列并行接口，TFT模块的驱动控制芯片采用SSD1289。
6.如权利要求1所述的一种基于 FPGA的数字随动控制系统，其特征在于，所述的键盘采用欧姆龙的B3F-4055微型轻触开关。
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