分析儀器常用控制功能的FPGA實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,分析儀器給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活帶來(lái)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(lái)了廣闊的前景。隨著分析儀器的發(fā)展,流程控制、實(shí)時(shí)控制和多路并行控制的需求也不斷提高。簡(jiǎn)單控制中常使用模擬控制器,其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠。但是對(duì)于模擬控制來(lái)說(shuō),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(chǎng)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(duì)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(duì)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(yǔ)句順序執(zhí)行方式實(shí)現(xiàn)控制功能,或者基于操作系統(tǒng)的多任務(wù)分時(shí)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(diǎn),勢(shì)必帶來(lái)多任務(wù)控制的實(shí)時(shí)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(diǎn)。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?jǐn)?shù)字控制器參數(shù)設(shè)置靈活的特點(diǎn),又能夠滿足控制的并行性、實(shí)時(shí)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(qiáng),程序沒(méi)計(jì)靈活方便;在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,對(duì)提高分析儀器控制的穩(wěn)定性和可靠性,具有重要價(jià)值。FPGA的快速發(fā)展,為滿足分析儀器實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)并實(shí)現(xiàn)分析儀器中轉(zhuǎn)速控制和溫度控制的FPGA控制平臺(tái),進(jìn)行程序編寫和測(cè)試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了FPGA控制器的控制功能。本課題主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(diǎn)介紹了應(yīng)用廣泛的PID控制原理,介紹了常用的改

5、進(jìn)PID控制模型,并對(duì)PID模型進(jìn)行Matlab仿真分析。第3章介紹設(shè)計(jì)的FPGA控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)介紹了直流無(wú)刷電機(jī)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(dòng)方案和控制算法等,簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)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(jì)和程序仿真分析。首先根據(jù)控制模塊的需求,進(jìn)行了程序概要設(shè)計(jì);然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),用Verilog編程實(shí)現(xiàn)模塊的功能;最后,進(jìn)行模塊Modelsi

6、m仿真分析,對(duì)模塊的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行驗(yàn)證。第5章對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測(cè)試,分別進(jìn)行了單板、功能和性能測(cè)試,并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。第6章對(duì)論文進(jìn)行總結(jié),總結(jié)完成的工作,并對(duì)研究中的不足提出展望。
　　 在課題中,通過(guò)對(duì)基于FPGA的分析儀器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),熟悉了分析儀器常用的控制功能和控制理論,設(shè)計(jì)了基于FPGA的分析儀器控制功能硬件驅(qū)動(dòng)平臺(tái),提出了基于FPGA的控制方法,搭建了控制系統(tǒng)軟件框架,進(jìn)行了基于Verilog語(yǔ)言的程序