分析儀器常用控制功能的FPGA實現(xiàn).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進步,分析儀器給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活帶來很大的便利,已經(jīng)成為生產(chǎn)、科學(xué)研究和日常生活不可缺少的設(shè)備,分析儀器的發(fā)展也迎來了廣闊的前景。隨著分析儀器的發(fā)展,流程控制、實時控制和多路并行控制的需求也不斷提高。簡單控制中常使用模擬控制器,其優(yōu)點是電路簡單,運行可靠。但是對于模擬控制來說,參數(shù)調(diào)節(jié)不方便,控制效果容易受外界環(huán)境影響,控制精度低。所以在被控量多/變的場合,常使用數(shù)字控制器代替模擬控制器。傳統(tǒng)的數(shù)字控制器如MC

2、U、DSP等,與模擬控制器相比,參數(shù)調(diào)整方便.更改控制策略靈活,控制精度高,控制結(jié)果對環(huán)境因素變化不敏感等。數(shù)字控制器代替模擬控制器,對提高控制的精確性和可靠性,有很大幫助。
　　 傳統(tǒng)的數(shù)字控制器是以程序語句順序執(zhí)行方式實現(xiàn)控制功能,或者基于操作系統(tǒng)的多任務(wù)分時執(zhí)行,功能執(zhí)行方式為串行執(zhí)行。傳統(tǒng)控制器串行執(zhí)行的特點,勢必帶來多任務(wù)控制的實時性差,軟件的各種缺陷容易導(dǎo)致可靠性差、可移植性性差等的缺點。如果采用FPGA(Field

3、 Programmable Gave Array)作為控制單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字控制器,既可以保持數(shù)字控制器參數(shù)設(shè)置靈活的特點,又能夠滿足控制的并行性、實時性、軟件的可移值性和可靠性的等要求。而且FPGA邏輯執(zhí)行速度快,抗干擾能力強,程序沒計靈活方便;在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用,對提高分析儀器控制的穩(wěn)定性和可靠性,具有重要價值。FPGA的快速發(fā)展,為滿足分析儀器實時控制和多路并行控制需求,提供了較多的解決方案。研究及實現(xiàn)基于FPGA的分析儀器常用控制功

4、能,也具有重要意義。
　　 本課題以實現(xiàn)基于FPGA的分析儀器常用控制功能為目標(biāo),以FPGA作為控制核心,研究并分析經(jīng)典控制理論,設(shè)計并實現(xiàn)分析儀器中轉(zhuǎn)速控制和溫度控制的FPGA控制平臺,進行程序編寫和測試實驗,驗證了FPGA控制器的控制功能。本課題主要從以下幾個方面進行了研究,第1章主要闡述了課題的研究背景、研究目的、意義和FPGA控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀。第2章介紹了經(jīng)典控制理論,重點介紹了應(yīng)用廣泛的PID控制原理,介紹了常用的改

5、進PID控制模型,并對PID模型進行Matlab仿真分析。第3章介紹設(shè)計的FPGA控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案。重點介紹了直流無刷電機速度控制模塊和熱電制冷器溫度控制模塊,講述了工作原理、硬件驅(qū)動方案和控制算法等,簡要介紹設(shè)計的FPGA控制系統(tǒng)的其他模塊組成。第4章主要介紹FPGA控制系統(tǒng)的程序設(shè)計和程序仿真分析。首先根據(jù)控制模塊的需求,進行了程序概要設(shè)計;然后進行詳細設(shè)計,用Verilog編程實現(xiàn)模塊的功能;最后,進行模塊Modelsi

6、m仿真分析,對模塊的設(shè)計功能進行驗證。第5章對控制系統(tǒng)的功能進行了測試,分別進行了單板、功能和性能測試,并且對測試結(jié)果進行分析。第6章對論文進行總結(jié),總結(jié)完成的工作,并對研究中的不足提出展望。
　　 在課題中,通過對基于FPGA的分析儀器控制系統(tǒng)的設(shè)計,熟悉了分析儀器常用的控制功能和控制理論,設(shè)計了基于FPGA的分析儀器控制功能硬件驅(qū)動平臺,提出了基于FPGA的控制方法,搭建了控制系統(tǒng)軟件框架,進行了基于Verilog語言的程序