CN104536340B - 基于fpga的动态运动解码触发器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的动态运动解码触发器，用来连接控制系统和采集系统。包括FPGA模块、输入信号电平转换电路、DA电路和脉冲光耦转换电路，实验中模型的位置信号输入到FPGA模块中，FPGA模块通过设计的逻辑程序解析出模型位置信息，并将该信息通过DA电路以模拟量的形式输出到采集系统，FPGA模块同时能够按照实验要求以一定频率或固定位置输出脉冲信号，该信号以提前设定的模型运动位置为起始开始采集判断信号。该脉冲信号输出到采集系统，采集系统以此为外部中断信号，同步采集气动力数据及模型位置数据。本发明的获得的数据准确率高、重复度高、效率高、稳定性好。

Description

基于FPGA的动态运动解码触发器
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的动态运动解码触发器。
背景技术
动态实验是风洞实验中重要的组成部分，相对于常规静态实验来说，动态实验可以获得静态实验获得不到的实验数据，例如动导数实验、大幅震荡实验、旋转天平实验等。动态实验中需要获得模型运动过程中的气动力数据，并且数据密度要求高，该数据还要与模型运动的位置相吻合，即同步采集。目前常见的采集方式是采集系统以本身时钟为基准，以实验要求频率采集气动数据，例如模型运动频率1Hz，要求每周期采集240组数据，这样采集系统设置采集周期就应该为1/240s，采集系统大多在Windows平台下运行，精度要求高的采集周期难以实现，对于希望采集多周期数据的情况，实验数据会出现首尾不对应现象，导致无法处理实验数据.另外，气动力数据需要与模型位置同步采集，常见采集系统采集气动力数据的同时采集控制系统输出的位置信号，很难保证同步。
发明内容
基于上述采集方式的不足之处，本发明提供一种基于FPGA的动态运动解码触发器，应用于风洞实验中模型动态实验，用来连接控制系统和采集系统，实现模型多个运动周期内固定频率或固定位置的气动力数据采集及模型位置同步采集，该设备可以满足实验要求数据的准确性、重复性及高效性。
本发明所采用的技术如下：一种基于FPGA的动态运动解码触发器，包括FPGA模块、输入信号电平转换电路、DA电路和脉冲光耦转换电路，输入信号电平转换电路与FPGA模块的起动信号输入端连接，FPGA模块的脉冲信号输出端与脉冲光耦转换电路连接，脉冲光耦转换电路与采集系统的采集触发端连接，FPGA模块的位置信号输出端与DA电路连接，DA电路与采集系统连接，外界控制系统输入起动信号，经输入信号电平转换电路转换成FPGA模块识别电压；模型的位置信号通过位置编码器输入到FPGA模块的编码器信号输入端，FPGA模块通过内置的逻辑程序解析出模型位置信息，FPGA模块同时能够按照实验要求以一定频率或固定位置输出脉冲信号，该脉冲信号以提前设定的模型运动位置为起始开始采集判断信号，该脉冲信号以模拟量的形式输出到采集系统，采集系统以此为外部中断信号，同步采集气动力数据及模型位置数据，采集时间以中断触发信号为基准，在采集点数达到要求后，本解码触发器停止输出脉冲信号，采集系统停止采集，采集结束。
本发明的获得的数据准确率高、重复度高、效率高、稳定性好，相对于传统的采集方式性能大大提高。
附图说明
图1为基于FPGA的动态运动解码触发器原理图。
其中，1、FPGA模块，2、编码器信号输入端，3、起动信号输入端，4、输入信号电平转换电路，5、位置信号输出端，6、脉冲信号输出端，7、脉冲光耦转换电路；
具体实施方式
下面结合说明书附图举例对本发明作进一步说明：
实施例1
根据图1所示，一种基于FPGA的动态运动解码触发器，包括FPGA模块1、输入信号电平转换电路4、DA电路和脉冲光耦转换电路7，输入信号电平转换电路4与FPGA模块1的起动信号输入端3连接，FPGA模块1的脉冲信号输出端6与脉冲光耦转换电路7连接，脉冲光耦转换电路7与采集系统的采集触发端连接，FPGA模块1的位置信号输出端5与DA电路连接，DA电路与采集系统连接，外界控制系统输入起动信号，经输入信号电平转换电路4转换成FPGA模块1识别电压；模型的位置信号通过位置编码器输入到FPGA模块1的编码器信号输入端2，FPGA模块1通过内置的逻辑程序解析出模型位置信息，FPGA模块1同时能够按照实验要求以一定频率或固定位置输出脉冲信号，该脉冲信号以提前设定的模型运动位置为起始开始采集判断信号，该脉冲信号以模拟量的形式输出到采集系统，采集系统以此为外部中断信号，同步采集气动力数据及模型位置数据，采集时间以中断触发信号为基准，在采集点数达到要求后，本解码触发器停止输出脉冲信号，采集系统停止采集，采集结束。其中，编码器信号输入端2可根据要求接入最多四通道信号，位置信号输出端5，可输出±10V电压，代表用户需求的角度信息，通道数量与编码器通道数量对应；起动信号输入端3，由外界控制系统输入起动信号，该设备开始工作，输入电压5-24V，输入信号电平转换电路4转换成FPGA模块1识别电压；脉冲信号输出端6输出的脉冲经过光耦转换电路7可转换为5V电平的脉冲信号，作为采集系统中断触发信号。
实施例2
风洞实验时，将运动系统的编码器连接于编码器信号输入端2，运动系统输出的“起始采集信号”连接于输入信号电平转换电路4，本解码触发器的位置信号输出端5连接于采集系统的位置采集通道，本解码触发器的脉冲光耦转换电路7连接于采集系统的采集触发端，如上连接完成后，进行实验。
如模型运动周期1s，要求每周采集240点，采集22周，定时采集，可进行如下设置：
该发明设备设定模型运动频率1Hz，每周采集240点，采集点数为22×240＝5280点，在运动系统开始运动后，到达需要采集的位置后，运动系统输出开始采集信号，该设备接收到该信号后，按照设定要求输出脉冲信号到采集系统，采集系统开始工作，采集系统接收到5280点后停止采集，保存实验数据。
FPGA模块连接运动设备的编码器信号，通过编码器解码电路进行解码，再通过DA转换电路转换为模拟量的形式进行输出；运动设备在启动或到达需要开始进行数据采集的位置输出脉冲信号到该设备，该设备就以240Plus/s的速度输出脉冲信号，该信号作为采集系统的中断触发信号，采集系统同步采集模型位置数据和气动力数据，采集时间以该发明设备的中断触发信号为基准。在采集点数达到实验要求后，该设备停止输出脉冲信号，采集系统停止采集，本次实验结束。
实施例3
下面介绍该系统应用于风洞实验静态运动系统。
静态运动系统实验要求模型到位后采集系统采集多组实验数据后进行平均，应用该设备进行采集设置如下
该发明设备设定模型运动频率1Hz，每周采集1000点，采集点数1000，这样就实现了模型到位后，采集1s，共采集1000点，采集系统采集完数据后进行均值化处理。模型每到位置都输出一个脉冲信号给该发明设备，这样整个静态实验数据采集完成。
本发明设备核心技术平台为FPGA模块，即现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array)，模块包含若干数量的门电路，时钟基准为百兆赫级，可以以此为基础设计任意形式的逻辑电路，以增量式编码器为例，FPGA模块设计的编码器解码逻辑包括倍频电路、鉴相电路，各电路、各通道时钟基准相同，运行速度相同，能够保证编码器解码的准确和快速。另外FPGA模块可以多任务同时并行处理，对于动态实验的要求尤为重要，该设备要求同步处理编码器数据，并能够以要求频率输出脉冲信号，两个功能需要并行完成。FPGA模块可以进行现场编程，方便灵活。FPGA模块可以读取和输出的电平信号为TTL电平，所以外界设备输入信号需要经过电压转换电路后输入到该设备，输出给外界的信号需要经过光耦进行隔离放大。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的动态运动解码触发器，包括FPGA模块、输入信号电平转换电路、DA电路和脉冲光耦转换电路，输入信号电平转换电路与FPGA模块的起动信号输入端连接，FPGA模块的脉冲信号输出端与脉冲光耦转换电路连接，脉冲光耦转换电路与采集系统的采集触发端连接，FPGA模块的位置信号输出端与DA电路连接，DA电路与采集系统连接，其特征在于：外界控制系统输入起动信号，经输入信号电平转换电路转换成FPGA模块识别电压；模型的位置信号通过位置编码器输入到FPGA模块的编码器信号输入端，FPGA模块通过内置的逻辑程序解析出模型位置信息，FPGA模块同时能够按照实验要求以一定频率或固定位置输出脉冲信号，该脉冲信号以提前设定的模型运动位置为起始开始采集判断信号，该脉冲信号以模拟量的形式输出到采集系统，采集系统以该脉冲信号为外部中断信号，同步采集气动力数据及模型位置数据，采集时间以中断触发信号为基准；风洞实验时，将运动系统的编码器连接于编码器信号输入端，运动系统输出的“起始采集信号”连接于输入信号电平转换电路，本解码触发器的位置信号输出端连接于采集系统的位置采集通道，本解码触发器的脉冲光耦转换电路连接于采集系统的采集触发端，模型运动周期1s，要求每周采集240点，采集22周，定时采集，进行如下设置：本解码触发器设定模型运动频率1Hz，每周采集240点，采集点数为5280点，在运动系统开始运动后，到达需要采集的位置后，运动系统输出开始采集信号，本解码触发器接收到该信号后，按照设定要求输出脉冲信号到采集系统，采集系统开始工作，采集系统接收到5280点后停止采集，保存实验数据；FPGA模块连接运动设备的编码器信号，通过编码器解码电路进行解码，再通过DA转换电路转换为模拟量的形式进行输出；运动设备在启动或到达需要开始进行数据采集的位置输出脉冲信号到本解码触发器，本解码触发器就以240Plus/s的速度输出脉冲信号，该信号作为采集系统的中断触发信号，采集系统同步采集模型位置数据和气动力数据，采集时间以本解码触发器的中断触发信号为基准；在采集点数达到实验要求后，本解码触发器停止输出脉冲信号，采集系统停止采集。
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