CN109799775A - 一种基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，属于气动控制系统技术领域。通过比例阀和电磁阀级联连接实现混合阀，利用可编程逻辑阵列建立片内双端口存储器、软核逻辑单元、脉宽调制信号产生单元、模数转换接口逻辑单元、数模转换接口逻辑单元，构建混合阀控制器实现多种模式的气压调节切换。本发明的混合阀气动控制系统，能够实现比例阀和电磁阀混合驱动控制，克服了单独比例阀响应速度慢，单独电磁阀气压调节困难，不稳定的缺点，综合了比例阀和电磁阀的优点，实现快速、稳定、精确以及响应快速的气压调节，保证混合阀稳定、可靠的运行。

Description

一种基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，属于气动控制系统技术领域。

背景技术

目前的各种商业或者工业的气动应用主要是通过气动阀门来实现。一般都是单纯使用电磁阀或者比例阀来实现气动调节，电磁阀作为气压开通的器件，调节速度较快，但是不具备气压调节的功能，其输出气压只与输入的气压值有关，需要外界手动调节输入气压达到适应不同外界需求的目的；比例阀作为气压开通与调节的器件，调节时间较长，无法适用于需要气压频繁开通调节的场合。因而结合电磁阀和比例阀的混合阀的驱动方式，使得气压驱动方式兼具两者的优点，既能够实现较快速度的调节，也能够实现自动调节输出气压以适应不同的气压需求的场合。

使用混合阀的气动控制需要搭建一个对应的气动控制系统实现对不同气动阀门的协同调度控制。基于可编程逻辑阵列的控制系统，接口设置灵活，能够实现并行计算，计算与响应速度很快，具有很强的实时性，能够灵活的在多种场合中发挥强大的控制功能。该混合阀气动控制系统要求较快的响应速度，要求较为精细的协同驱动控制，可编程逻辑阵列能够满足该混合阀驱动控制系统的要求，因而采用可编程逻辑阵列作为控制芯片。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，以使混合阀气动控制系统能够在需要快速、稳定、精确调节的情况下，进行的混合阀的气压调节。

本发明提出的基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，包括：

(1)模拟信号采集电路，接收混合阀气动控制系统目标气压值的模拟采样值，为混合阀气动控制的气压输出的依据；

(2)可编程逻辑阵列，用于接收混合阀气动控制人员的按键信号，并结合来自模拟信号采集电路的目标气压值的模拟采样值，分别产生输出给脉宽调制信号驱动电路的脉宽调制信号、输出给数模转换芯片的串行通信电平信号以及输出给模数转换芯片的串行通信电平信号；

(3)同步动态随机存储器，用于暂时存储可编程逻辑阵列中的软核逻辑单元内部的可执行代码在实现混合阀调度控制过程中产生的过程参数与变量；

(4)模数转换芯片，用于接收来自模拟信号采集电路的模拟电压，将该模拟电压进行模数转换，以量化为数字数值，结合来自可编程逻辑阵列的串行通信电平信号，将模拟数值传输至可编程逻辑阵列中的模数转换逻辑单元；

(5)数模转换芯片，用于接收可编程逻辑阵列的串行通信电平信号，从串行通信电平信号中提取来自可编程逻辑阵列的模数转换逻辑单元的通道输出中，选择参数和模拟电压输出参数数值，并根据提取的两个参数在相应通道生成相应的模拟电压信号，并输出至模拟信号驱动电路；

(6)模拟信号驱动电路，用于接收来自数模转换芯片的模拟电压信号，将该模拟电压信号进行扩流处理，得到驱动能力强的模拟驱动信号，驱动混合阀气动控制系统中的比例阀；

(7)脉宽调制信号驱动电路，用于接收来自可编程逻辑阵列中的脉宽调制信号，将该信号进行扩流处理后，得到驱动能力强的电平信号，驱动混合阀气动控制系统中的电磁阀；

(8)所述电磁阀，接收来自脉宽调制数字信号驱动电路的电平信号，产生合阀气动控制系统中气路的通断动作；

(9)所述比例阀，接收来自模拟信号驱动电路的模拟驱动信号，产生合阀气动控制系统中气路的调节动作。

上述混合阀气动控制系统中，所述的可编程逻辑阵列，包括：

(1)锁相环倍频单元，用于将输入时钟进行倍频处理，输出倍频时钟用作软核逻辑单元的时钟；

(2)时钟分频单元，用于将输入时钟进行降频处理，输出降频时钟为片内双端口存储器逻辑单元、脉宽调制信号产生单元、数模转换逻辑单元以及模数转换逻辑单元提供计数器的基础时钟；

(3)软核逻辑单元，用于执行按键中断以及定时器中断的功能，实现混合阀的控制调度；在按键中断中判断用户的交互指令，以判断软核逻辑单元是否开启气压调节功能，在定时器中断中将更新的脉宽调制信号的频率参数以及占空比参数写入片内双端口存储器逻辑区域I，将模数转换器的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数写入片内双端口存储器逻辑区域II，读取片内双端口存储器中逻辑区域III中的模拟信号数值作为决策依据；

(4)片内双端口存储器，分为3个逻辑区域，逻辑区域I存储软核逻辑单元产生的脉宽调制信号的频率参数以及占空比参数、逻辑区域II存储软核逻辑单元产生的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数、逻辑区域III存储来自模数转换逻辑单元的数值；

(5)片内双端口存储器逻辑单元，用于处理片内双端口存储器内部数据与脉宽调制信号产生单元、模数转换逻辑单元以及数模转换接口逻辑单元的数据交互：将片内双端口存储器逻辑区域I的频率参数以及占空比参数更新到脉宽调制信号产生单元，片内双端口存储器逻辑区域II的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数更新到数模转换逻辑单元，读取来自于模数转换逻辑单元得到的模拟信号数据并更新至片内双端口存储器逻辑区域III；

(6)脉宽调制信号产生单元，用于根据片内双端口存储器逻辑单元读取片内双端口存储器逻辑区域I的频率参数以及占空比参数，结合内部的逻辑电路生成对应频率以及占空比的方波信号，并将该脉宽调制信号传输至脉宽调制信号驱动电路；

(7)模数转换逻辑单元，用于通过与模数转换芯片的串行通信，读取来自于模数转换芯片的模拟电压的量化数值并寄存于寄存器中，并通过片内双端口存储器逻辑单元将该数值更新至片内双端口存储器的逻辑区域III中；

(8)数模转换逻辑单元，用于利用片内双端口存储器逻辑单元读取片内双端口存储器逻辑区域II的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数，结合数模转换芯片的串行通信协议将数值传输至数模转换芯片。

本发明的提出的基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，其优点是：

本发明的混合阀气动控制系统，能够实现比例阀和电磁阀混合驱动控制，克服了单独比例阀响应速度慢，单独电磁阀气压调节困难，不稳定的缺点，综合了比例阀和电磁阀的优点，实现快速、稳定、精确以及响应快速的气压调节，保证混合阀稳定、可靠的运行。本发明混合阀气动控制系统，以可编程逻辑阵列作为主控，内部以双端口存储器作为通信机制，实时切换并控制比例阀和电磁阀的运行。其中的可编程逻辑阵列的并行驱动能力，能够满足针对比例阀以及电磁阀两路控制信号的时钟同步并行输出。

附图说明

图1是本发明提出的基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统的驱动电路连接关系图。

图2为本发明混合阀气动控制系统的工作原理图。

具体实施方式

本发明提出的基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，其驱动电路连接关系图如图1所示，该系统包括：

(1)模拟信号采集电路，接收混合阀气动控制系统目标气压值的模拟采样值，为混合阀气动控制的气压输出的依据；对该目标气压值的模拟采样值进行一定的电平转换，映射为与模数转换芯片的参考电平一致的0-3.3V范围内的模拟电压信号，并传输至模数转换芯片的模拟信号采集引脚；

(2)可编程逻辑阵列，用于接收混合阀气动控制人员的按键信号，以确定系统是否正式开启混合阀气动调节工作，并结合来自模拟信号采集电路的目标气压值的模拟采样值，分别产生输出给脉宽调制信号驱动电路的脉宽调制信号、输出给数模转换芯片的串行通信电平信号以及输出给模数转换芯片的串行通信电平信号；

(3)同步动态随机存储器，用于暂时存储可编程逻辑阵列中的软核逻辑单元内部的可执行代码在实现混合阀调度控制过程中产生的过程参数与变量，以保证调度控制的中间计算数据不丢失；

(4)模数转换芯片，用于接收来自模拟信号采集电路的模拟电压，将该模拟电压进行模数转换，以量化为数字数值，结合来自可编程逻辑阵列的串行通信电平信号，将模拟数值传输至可编程逻辑阵列中的模数转换逻辑单元；

(5)数模转换芯片，用于接收可编程逻辑阵列的串行通信电平信号，从串行通信电平信号中提取来自可编程逻辑阵列的模数转换逻辑单元的通道输出中，选择参数和模拟电压输出参数数值，并根据提取的两个参数在相应通道生成相应的模拟电压信号，并输出至模拟信号驱动电路；

(6)模拟信号驱动电路，用于接收来自数模转换芯片的模拟电压信号，将该模拟电压信号进行扩流处理，得到驱动能力强的模拟驱动信号，驱动混合阀气动控制系统中的比例阀；

(7)脉宽调制信号驱动电路，用于接收来自可编程逻辑阵列中的脉宽调制信号，将该信号进行扩流处理后，得到驱动能力强的电平信号，驱动混合阀气动控制系统中的电磁阀；

(8)所述电磁阀，接收来自脉宽调制数字信号驱动电路的电平信号，产生合阀气动控制系统中气路的通断动作；

(9)所述比例阀，接收来自模拟信号驱动电路的模拟驱动信号，产生合阀气动控制系统中气路的调节动作。

上述混合阀气动控制系统中的可编程逻辑阵列，包括：

(1)锁相环倍频单元，用于将输入时钟进行倍频处理，输出倍频时钟用作软核逻辑单元的时钟；

(2)时钟分频单元，用于将输入时钟进行降频处理，输出降频时钟为片内双端口存储器逻辑单元、脉宽调制信号产生单元、数模转换逻辑单元以及模数转换逻辑单元提供计数器的基础时钟；

(3)软核逻辑单元，用于执行按键中断以及定时器中断的功能，实现混合阀的控制调度；在按键中断中判断用户的交互指令，以判断软核逻辑单元是否开启气压调节功能，在定时器中断中将更新的脉宽调制信号的频率参数以及占空比参数写入片内双端口存储器逻辑区域I，将模数转换器的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数写入片内双端口存储器逻辑区域II，读取片内双端口存储器中逻辑区域III中的模拟信号数值作为决策依据；

(4)片内双端口存储器，分为3个逻辑区域，逻辑区域I存储软核逻辑单元产生的脉宽调制信号的频率参数以及占空比参数、逻辑区域II存储软核逻辑单元产生的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数、逻辑区域III存储来自模数转换逻辑单元的数值；

(5)片内双端口存储器逻辑单元，用于处理片内双端口存储器内部数据与脉宽调制信号产生单元、模数转换逻辑单元以及数模转换接口逻辑单元的数据交互：将片内双端口存储器逻辑区域I的频率参数以及占空比参数更新到脉宽调制信号产生单元，片内双端口存储器逻辑区域II的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数更新到数模转换逻辑单元，读取来自于模数转换逻辑单元得到的模拟信号数据并更新至片内双端口存储器逻辑区域III；

(6)脉宽调制信号产生单元，用于根据片内双端口存储器逻辑单元读取片内双端口存储器逻辑区域I的频率参数以及占空比参数，结合内部的逻辑电路生成对应频率以及占空比的方波信号，并将该脉宽调制信号传输至脉宽调制信号驱动电路；

(7)模数转换逻辑单元，用于通过与模数转换芯片的串行通信，读取来自于模数转换芯片的模拟电压的量化数值并寄存于寄存器中，并通过片内双端口存储器逻辑单元将该数值更新至片内双端口存储器的逻辑区域III中；

(8)数模转换逻辑单元，用于利用片内双端口存储器逻辑单元读取片内双端口存储器逻辑区域II的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数，结合数模转换芯片的串行通信协议将数值传输至数模转换芯片。

图2为本发明混合阀气动控制系统的工作原理图，混合阀中的比例阀7和电磁阀8的气动回路相互级联，将高压气源9按顺序分别通过比例阀7和电磁阀8，经过基于可编程逻辑阵列的控制系统的控制，将调节后的气压输出至混合阀的工作对象和气压传感器。其中，高压气源9的气压值必须高于输出气压的调节范围，且不超出比例阀7以及电磁阀8的承受气压上限值。比例阀7气压输入端与高压气源9相连，比例阀7的输出端连接电磁阀8的输入端，在工作过程中主要起保持气压输出或者调节的作用。其中，电磁阀8的气压输入端与比例阀7的输出气压源相连，电磁阀8的气压输出端连接系统气压输出端口，在工作过程中起通断气路的作用。

本发明控制系统的一个实施例中，使用的可编程逻辑阵列，由美国阿尔特拉公司提供，产品型号为：EP4CE10F17；使用的模数转换芯片，由美国德州仪器公司提供，产品型号为：ADS7953；使用的数模转换芯片，由美国德州仪器公司提供，产品型号为：TLV5608；使用的同步动态随机存储器，由美国镁光半导体提供，产品型号为：MT48LC64M4A2。

Claims (2)

1.一种基于可编程逻辑阵列的混合阀气动控制系统，其特征在于，该系统包括：

(1)模拟信号采集电路，接收混合阀气动控制系统目标气压值的模拟采样值，为混合阀气动控制的气压输出的依据；

(2)可编程逻辑阵列，用于接收混合阀气动控制人员的按键信号，并结合来自模拟信号采集电路的目标气压值的模拟采样值，分别产生输出给脉宽调制信号驱动电路的脉宽调制信号、输出给数模转换芯片的串行通信电平信号以及输出给模数转换芯片的串行通信电平信号；

(3)同步动态随机存储器，用于暂时存储可编程逻辑阵列中的软核逻辑单元内部的可执行代码在实现混合阀调度控制过程中产生的过程参数与变量；

(4)模数转换芯片，用于接收来自模拟信号采集电路的模拟电压，将该模拟电压进行模数转换，以量化为数字数值，结合来自可编程逻辑阵列的串行通信电平信号，将模拟数值传输至可编程逻辑阵列中的模数转换逻辑单元；

(5)数模转换芯片，用于接收可编程逻辑阵列的串行通信电平信号，从串行通信电平信号中提取来自可编程逻辑阵列的模数转换逻辑单元的通道输出中，选择参数和模拟电压输出参数数值，并根据提取的两个参数在相应通道生成相应的模拟电压信号，并输出至模拟信号驱动电路；

(6)模拟信号驱动电路，用于接收来自数模转换芯片的模拟电压信号，将该模拟电压信号进行扩流处理，得到驱动能力强的模拟驱动信号，驱动混合阀气动控制系统中的比例阀；

(7)脉宽调制信号驱动电路，用于接收来自可编程逻辑阵列中的脉宽调制信号，将该信号进行扩流处理后，得到驱动能力强的电平信号，驱动混合阀气动控制系统中的电磁阀；

(8)所述电磁阀，接收来自脉宽调制数字信号驱动电路的电平信号，产生合阀气动控制系统中气路的通断动作；

(9)所述比例阀，接收来自模拟信号驱动电路的模拟驱动信号，产生合阀气动控制系统中气路的调节动作。

2.如权利要求1所述的混合阀气动控制系统，其特征在于其中所述的可编程逻辑阵列，包括：

(1)锁相环倍频单元，用于将输入时钟进行倍频处理，输出倍频时钟用作软核逻辑单元的时钟；

(2)时钟分频单元，用于将输入时钟进行降频处理，输出降频时钟为片内双端口存储器逻辑单元、脉宽调制信号产生单元、数模转换逻辑单元以及模数转换逻辑单元提供计数器的基础时钟；

(3)软核逻辑单元，用于执行按键中断以及定时器中断的功能，实现混合阀的控制调度；在按键中断中判断用户的交互指令，以判断软核逻辑单元是否开启气压调节功能，在定时器中断中将更新的脉宽调制信号的频率参数以及占空比参数写入片内双端口存储器逻辑区域I，将模数转换器的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数写入片内双端口存储器逻辑区域II，读取片内双端口存储器中逻辑区域III中的模拟信号数值作为决策依据；

(4)片内双端口存储器，分为3个逻辑区域，逻辑区域I存储软核逻辑单元产生的脉宽调制信号的频率参数以及占空比参数、逻辑区域II存储软核逻辑单元产生的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数、逻辑区域III存储来自模数转换逻辑单元的数值；

(5)片内双端口存储器逻辑单元，用于处理片内双端口存储器内部数据与脉宽调制信号产生单元、模数转换逻辑单元以及数模转换接口逻辑单元的数据交互：将片内双端口存储器逻辑区域I的频率参数以及占空比参数更新到脉宽调制信号产生单元，片内双端口存储器逻辑区域II的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数更新到数模转换逻辑单元，读取来自于模数转换逻辑单元得到的模拟信号数据并更新至片内双端口存储器逻辑区域III；

(6)脉宽调制信号产生单元，用于根据片内双端口存储器逻辑单元读取片内双端口存储器逻辑区域I的频率参数以及占空比参数，结合内部的逻辑电路生成对应频率以及占空比的方波信号，并将该脉宽调制信号传输至脉宽调制信号驱动电路；

(7)模数转换逻辑单元，用于通过与模数转换芯片的串行通信，读取来自于模数转换芯片的模拟电压的量化数值并寄存于寄存器中，并通过片内双端口存储器逻辑单元将该数值更新至片内双端口存储器的逻辑区域III中；

(8)数模转换逻辑单元，用于利用片内双端口存储器逻辑单元读取片内双端口存储器逻辑区域II的通道输出选择参数以及模拟电压输出参数，结合数模转换芯片的串行通信协议将数值传输至数模转换芯片。