一种基于FPGA的数字随动控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于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。【专利说明】—种基于FPGA的数字随动控制系统
本专利技术属于数字随动控制
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于，提供一种基于FPGA的数字随动控制系统，本专利技术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、IXD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，本专利技术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±夹，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、IXD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LMl117系列低压差线性稳压器作为LDO线性稳压器，其中LMl117-3.3稳压电路将正5V转正3.3V，LMl117-1.2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MAXM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0P747。 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 X 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-4本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐云鹏，
申请(专利权)人：徐云鹏，
类型：发明
国别省市：江西;36