一种基于Verilog?HDL的FPGA超高速工业控制系统，包括：DA上层控制模块，第一AD底层驱动模块，第二AD底层驱动模块，AD上层控制模块，DA底层驱动模块，异步串行通信发送接口，异步串行通信接收接口，控制器通信命令字接收控制模块，控制器信息发送控制模块，开关量输出DO逻辑控制模块，PID算法模块，PLL锁相环模块，正弦数值Rom存储器，第一AD转换值模块Ram，第二AD转换值模块Ram，模拟量DA实际输出值模块Ram，模拟量闭环PID控制参数模块Ram，模拟量输出DA手动设定值模块Ram，模拟量AI给定值模块Ram，波形参数模块Ram。本发明专利技术控制周期Ts可以根据需求设置得非常小，可用于超高速控制应用中。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于Verilog?HDL的FPGA超高速工业控制系统，包括：DA上层控制模块，第一AD底层驱动模块，第二AD底层驱动模块，AD上层控制模块，DA底层驱动模块，异步串行通信发送接口，异步串行通信接收接口，控制器通信命令字接收控制模块，控制器信息发送控制模块，开关量输出DO逻辑控制模块，PID算法模块，PLL锁相环模块，正弦数值Rom存储器，第一AD转换值模块Ram，第二AD转换值模块Ram，模拟量DA实际输出值模块Ram，模拟量闭环PID控制参数模块Ram，模拟量输出DA手动设定值模块Ram，模拟量AI给定值模块Ram，波形参数模块Ram。本专利技术控制周期Ts可以根据需求设置得非常小，可用于超高速控制应用中。【专利说明】—种基于Ver i log HDL的FPGA超高速工业控制系统
本专利技术涉及一种超高速工业控制系统。特别是涉及一种基于Verilog HDL的FPGA超高速工业控制系统。
技术介绍
近年来，随着计算机技术和电子技术的不断进步和完善，通用数字控制器作为工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并已达到一个令人瞩目的市场规模。在航空航天、大型装备制造、电子信息等高新领域中，对控制器的快速性、稳定性、抗干扰性、精度、速度等指标提出了更高的要求，对超高速工业控制器的需求越来越强烈。国内工业控制器近年在追赶国际先进水平方面取得了一定进展，但总体水平仍落后于国外技术先进的国家，发展还不成熟，主要体现在:①控制器难以运用于超高速应用场合，抗干扰性和稳定性较差。由于控制器软硬件体系结构设计不合理，导致控制周期大于超高速应用的要求，抗干扰性和稳定性不好，最终的控制效果较差。②核心控制器没有独立知识产权。现有的控制系统普遍采用国外PLC控制器及相关软件组成，所配控制器只有个别国外厂家提供，控制功能专用，不适合我国的应用要求。现如今国内工业控制器市场仍是国外产品占据大部分份额，而高水平的控制器市场几乎被几家国外公司垄断，也就是说我国现在缺乏一种自主知识产权的超高速、低成本、高可靠性的工业控制器。因此，开发一款具备自主知识产权，能够通用于各种控制系统的超高速、低成本、高可靠性的超高速工业控制器具有重要的意义。工业控制系统现场包含各类设备:控制室或现场的上位计算机；测量现场各种生产变量的模拟式传感器，如流量传感器、压力传感器、位移传感器、温度传感器等；改变管路流体流量的调节阀，如溢流阀、比例双向阀等；反映生产状态与人机交互的开关式设备，如警报开关、启动/停止按钮等；用于通断各种生产回路的电磁阀等。超高速工业控制器在工业控制系统中的应用情况，为了与上述工业控制系统现场包含的各类设备交互，超高速工业控制器具有如下接口:RS232和RS422(半/全双工RS485)总线——用于与上位机通信，16路4?20mA/0?IOV模拟量输入信号Al——用于采集各种模拟式传感器信号，8路-1OV?+IOV模拟量输出信号AO——用于控制调节阀开度，16路开关量输入信号DI——用于读取现场的各种开关量输入状态，8路开关量输出信号DO——用于直接驱动生产中的各种电磁阀。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够通用于各种控制系统的超高速、低成本、高可靠性的可与上位机共同组成控制系统及能够直接与传感器和执行机构信号匹配的基于Verilog HDL的FPGA超高速工业控制系统。本专利技术所采用的技术方案是:一种基于Verilog HDL的FPGA超高速工业控制系统，包括:DA上层控制模块，用于在一个控制周期Ts中，根据控制器通信命令字接收控制模块(8)输出的模拟量DA输出模式选择位AUT0_HAND_DA数据按下述五种方式中的一种方式进行DA数值的计算，并调用DA底层驱动模块(5)完成8路模拟量输出的电压输出刷新，并存入模拟量DA实际输出值模块Ram (16)，所述的五种方式为:第一种方式，按照从模拟量输出DA手动设定值模块Ram读出的数值手动设置DA值并进行输出；第二种方式，按照从波形参数模块Ram读出的周期相对值、峰值、谷值自动输出方波；第三种方式，按照从波形参数模块Ram读出的周期相对值、峰值、谷值自动输出三角波；第四种方式，按照从波形参数模块Ram读出的周期相对值、峰值、谷值，并按照从正弦数值Rom存储器读出的数值自动输出正弦波；第五种方式，按照从模拟量Al给定值模块Ram读出的与8路模拟量输出的每一路AO通道相对应的模拟量输入Al的闭环给定值，和从模拟量闭环PID控制参数模块Ram读出的相应的闭环PID控制参数，调用用于实现增量式PID算法的PID算法模块，进行单闭环或双闭环的PID自动调节，计算DA数值并进行输出；AD上层控制模块，用于调用第一 AD底层驱动模块和第二 AD底层驱动模块完成全部16路模拟量输入信号的轮询AD采样转换，并将转换结果存入第一 AD转换值模块Ram和第二 AD转换值模块Ram，向DA上层控制模块提供整个系统的控制周期同步信号Ts ；第一 AD底层驱动模块，用于接收AD上层控制模块发送的16位并行控制字，转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的第一片12位8通道A/D转换器电路，控制该电路进行AD转换，并将转换结果的数据并行输出到AD上层控制模块；第二 AD底层驱动模块，用于接收AD上层控制模块(4)发送的16位并行控制字，转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的第二片12位8通道A/D转换器电路，控制该电路进行AD转换，并将转换结果的数据并行输出到AD上层控制模块；DA底层驱动模块，用于将DA上层控制模块发来的32位并行控制字转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的14位8通道D/A转换器电路。异步串行通信接收接口，用于接收基于FPGA的超高速工业控制器中的通信数字隔离电路111输入的信号，并写入内部的异步串行通信接收FIFO模块中，供控制器通信命令字接收控制模块读取。控制器通信命令字接收控制模块，用于从异步串行通信接收接口读出数据，每读出上位机发送的10字节命令字后都进行校验和计算，根据设定的控制器通信命令字接收解析表，由收到的第一个字节即功能码数值解析出上位机命令字的含义，从而进行相应的命令解析与参数设置。 开关量输出DO逻辑控制模块，用于读入16路开关量输入状态信号，并根据控制器通信命令字接收控制模块设定的模式输出8路开关量输出状态信号。控制器信息发送控制模块，分别:从开关量输出DO逻辑控制模块读取16路开关量输入状态和8路开关量输出状态的数值，从第一 AD转换值模块Ram读取16路模拟量输入通道12位AD转换值，从模拟量DA实际输出值模块Ram读取8路模拟量输出通道14位DA数值，并将读取的数值按设定的顺序格式写入异步串行通信发送接口，并将这一发送过程循环往复进行。异步串行通信发送接口，利用内部的异步串行通信发送FIFO模块接收控制器信息发送控制模块的写入信息，最终在输出口上完成异步串行通信数据帧的发送。PLL锁相环模块，用于接收基于FPGA的超高速工业控制器中的时钟输入与自动/手动复位电路单元的48MHz时钟输入，并为系统提供全局时钟信号。所述的第一 AD底层模块和第本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于Verilog?HDL的FPGA超高速工业控制系统，其特征在于，包括：DA上层控制模块（1），用于在一个控制周期Ts中，根据控制器通信命令字接收控制模块（8）输出的模拟量DA输出模式选择位AUTO_HAND_DA[31:0]数据按下述五种方式中的一种方式进行DA数值的计算，并调用DA底层驱动模块（5）完成8路模拟量输出的电压输出刷新，并存入模拟量DA实际输出值模块Ram（16），所述的五种方式为：第一种方式，按照从模拟量输出DA手动设定值模块Ram（18）读出的数值手动设置DA值并进行输出；第二种方式，按照从波形参数模块Ram（20）读出的周期相对值、峰值、谷值自动输出方波；第三种方式，按照从波形参数模块Ram（20）读出的周期相对值、峰值、谷值自动输出三角波；第四种方式，按照从波形参数模块Ram（20）读出的周期相对值、峰值、谷值，并按照从正弦数值Rom存储器（13）读出的数值自动输出正弦波；第五种方式，按照从模拟量AI给定值模块Ram（19）读出的与8路模拟量输出的每一路AO通道相对应的模拟量输入AI的闭环给定值，和从模拟量闭环PID控制参数模块Ram（17）读出的相应的闭环PID控制参数，调用用于实现增量式PID算法的PID算法模块（11），进行单闭环或双闭环的PID自动调节，计算DA数值并进行输出；AD上层控制模块（4），用于调用第一AD底层驱动模块（2）和第二AD底层驱动模块（3）完成全部16路模拟量输入信号的轮询AD采样转换，并将转换结果存入第一AD转换值模块Ram（14）和第二AD转换值模块Ram（15），向DA上层控制模块（1）提供整个系统的控制周期同步信号Ts；第一AD底层驱动模块（2），用于接收AD上层控制模块（4）发送的16位并行控制字，转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的第一片12位8通道A/D转换器电路，控制该电路进行AD转换，并将转换结果的数据并行输出到AD上层控制模块（4）；第二AD底层驱动模块（3），用于接收AD上层控制模块（4）发送的16位并行控制字，转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的第二片12位8通道A/D转换器电路，控制该电路进行AD转换，并将转换结果的数据并行输出到AD上层控制模块（4）；DA底层驱动模块（5），用于将DA上层控制模块（1）发来的32位并行控制字转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的14位8通道D/A转换器电路。异步串行通信接收接口（7），用于接收基于FPGA的超高速工业控制器中的通信数字隔离电路111输入的信号，并写入内部的异步串行通信接收FIFO模块中，供控制器通信命令字接收控制模块（8）读取。控制器通信命令字接收控制模块（8），用于从异步串行通信接收接口（7）读出数据， 每读出上位机发送的10字节命令字后都进行校验和计算，根据设定的控制器通信命令字接收解析表，由收到的第一个字节即功能码数值解析出上位机命令字的含义，从而进行相应的命令解析与参数设置。开关量输出DO逻辑控制模块（10），用于读入16路开关量输入状态信号，并根据控制器通信命令字接收控制模块（8）设定的模式输出8路开关量输出状态信号。控制器信息发送控制模块（9），分别：从开关量输出DO逻辑控制模块（10）读取16路开关量输入状态和8路开关量输出状态的数值，从第一AD转换值模块Ram（14）读取16路模拟量输入通道12位AD转换值，从模拟量DA实际输出值模块Ram（16）读取8路模拟量输出通道14位DA数值，并将读取的数值按设定的顺序格式写入异步串行通信发送接口（6），并将这一发送过程循环往复进行。异步串行通信发送接口（6），利用内部的异步串行通信发送FIFO模块接收控制器信息发送控制模块（9）的写入信息，最终在输出口上完成异步串行通信数据帧的发送。PLL锁相环模块（12），用于接收基于FPGA的超高速工业控制器中的时钟输入与自动/手动复位电路单元的48MHz时钟输入，并为系统提供全局时钟信号。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴爱国，崔巍，江涛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。