基于FPGA的气动并联机构控制系统的研究和实现(打印)

1、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文- PAGE II -工学硕士学位论文基于FPGA的气动并联机构控制系统的研究和实现蔡兆晖哈尔滨理工大学2012年3月国内图书分类号：TP2工学硕士学位论文基于FPGA的气动并联机构控制系统的研究和实现硕 士 研究生：蔡兆晖导 师：徐 雳申请学位级别：工学硕士学 科、专 业：车辆工程所 在 单 位：机械动力工程学院答 辩 日 期：2012年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index：TP2Dissertation for the Master Degree in EngineeringResearch and Implementation t

2、he Control System of Pneumatic Parallel Manipulator Base on FPGACandidate： Cai ZhaohuiSupervisor： Xu LiAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Vehicle EngineeringDate of Oral Examination： March, 2012University： Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明

3、：此处所提交的硕士学位论文基于FPGA的气动并联机构控制系统的研究和实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书基于FPGA的气动并联机构控制系统的研究和实现系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理

4、工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密 在 年解密后适用授权书。 不保密 。(请在以上相应方框内打)作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文- PAGE III -基于FPGA的气动并联机构控制系统的研究和实现摘 要六自由度并联机构的特点是刚度大、精度高、承载力大，因此六自由度并联机构在力觉再现设备，车辆及飞行器的硬件在环模拟和测试设备上具有广泛的应用。与传统的串联机构相比

5、，并联机构具有结构复杂、运动空间小、位置逆解难，驱动控制电路复杂、运动控制算法开发难度高等特点。因此控制电路作为其开发的中间环节尤为重要。首先，本文分析了采用不同执行器件的六自由度运动平台的优缺点，阐述了气动并联机构平台的研究意义，综述了气动伺服的国内外研究现状，并介绍了本课题主要的研究内容。其次，本文阐述了基于现场可编程门阵列(FPGA)气动伺服的工作原理和组成结构，并对气动系统的执行器、电磁阀进行了选型。介绍了FPGA的架构及发展应用，详细描述了FPGA的软硬件开发流程。再次，介绍了气动控制系统硬件的总体设计，研究了磁阻位移传感器的测量机理及信号采集。阐述高速开关电磁阀在气动系统的应用，对

6、开关电磁阀的静态特性及动态特性进行了分析，进而设计开关阀的功率驱动电路。对气动控制电路的其他外围电路设计进行简要介绍。接着，在确定板级系统设计方案上，采用FPGA开发软件Quartus II对器件进行逻辑设计。分析细分辩向原理并进行逻辑功能的实现。介绍了PWM信号产生机理及电路结构，并设计适合FPGA实现的PWM模块。对于气动伺服控制，开发基于FPGA的定点增量式PID控制模块。对上述逻辑电路逐一进行仿真及功能验证，最终确定逻辑结构的总体方案。关键词 气动伺服；现场可编程门阵列；四倍频；脉宽调制；增量式PIDResearch and Implementation the Control Sys

7、tem of Pneumatic Parallel Manipulator Base on FPGAAbstractThe characteristics of the 6 DOF parallel manipulator are that high stiffness, high precision and large carrying capacity, as a result, the the 6 DOF parallel manipulator are widely applied in force rendering devices, vehicle and aircraft Har

8、dware-In-the-Loop simulation and test devices. Compared with ordinary serical manipulator, there are characteristics of complicated structure, small motion space, inverse positional problem, complicated controlling and driving circuit and difficulty in motion control algorithm development. The contr

9、ol circuit is particularly important as the development of intermediate links.First, the implementation of the 6 DOF parallel manipulator in different actuator are analyzed in the paper, and the significance of researching the pneumatic is explained. And then the research status at home and abroad i

10、s summarized, and the main work of this article is also introduced.Second, This paper describes the structure and working principle of the Field Programmable Gate Array (FPGA) base pneumatic servo, and the selection of pneumatic actuator, solenoid valve. The development, application and architecture

11、 of FPGA are introduced in the paper. A detailed description of the FPGA hardware and software development process is given.Third, Introduce the overall hardware design of the pneumatic control system. Study on measurement mechanism and signal acquisition of magnetoresistive displacement senor. The

12、application of high-speed switching solenoid valve in the pneumatic system is also elaborated. By analyzing and researching the dynamic and the static of solenoid valve, power driving circuit of switching solenoid valve is designed. Then have a brief introduction to the other peripheral circuit of t

13、he pneumatic control system.Lastly, on the basis of board-level system design, using FPGA developing software Quartus II for logic design. Analyzing the principle of Fourfold-Frequency Direction-Judgment, then the implementation of its logical function. Introduce PWM signal generation mechanism and

14、circuit structure, then the PWM module fit for FPGA implementation is designed.Developing a fixed-point incremental PID control module for pneumatic servo control base on FPGA. finally, through the simulation and functional verification of logic design above, And the optimal overall logic structure

15、were summarized.Keywords pneumatic servo, field programmable gate array, fourfold frequency, pulse width modulation, incremental PID目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc319564236 摘 要 PAGEREF _Toc319564236 h I HYPERLINK l _Toc319564237 Abstract PAGEREF _Toc319564237 h II HYPERLINK l _Toc319564238 第1章

16、绪论 PAGEREF _Toc319564238 h 1 HYPERLINK l _Toc319564239 1.1 课题研究的目的和意义 PAGEREF _Toc319564239 h 1 HYPERLINK l _Toc319564240 1.2 气动控制的国内外发展与应用情况 PAGEREF _Toc319564240 h 2 HYPERLINK l _Toc319564241 1.3 课题的主要研究内容 PAGEREF _Toc319564241 h 3 HYPERLINK l _Toc319564242 第2章 基于FPGA气动伺服的研究 PAGEREF _Toc319564242

17、h 5 HYPERLINK l _Toc319564243 2.1气动伺服的组成及原理 PAGEREF _Toc319564243 h 5 HYPERLINK l _Toc319564244 2.1.1 气动伺服工作原理 PAGEREF _Toc319564244 h 5 HYPERLINK l _Toc319564245 2.1.2 气动元器件选型 PAGEREF _Toc319564245 h 6 HYPERLINK l _Toc319564246 2.2 FPGA的架构及其优点 PAGEREF _Toc319564246 h 7 HYPERLINK l _Toc319564247 2.2

18、.1 可编程逻辑器件的发展及应用 PAGEREF _Toc319564247 h 7 HYPERLINK l _Toc319564248 2.2.2 FPGA的内部架构 PAGEREF _Toc319564248 h 8 HYPERLINK l _Toc319564249 2.2.3 FPGA系统设计流程 PAGEREF _Toc319564249 h 10 HYPERLINK l _Toc319564250 2.3 本章小结 PAGEREF _Toc319564250 h 12 HYPERLINK l _Toc319564251 第3章 气动控制系统总体设计 PAGEREF _Toc3195

19、64251 h 13 HYPERLINK l _Toc319564252 3.1 位移传感器信号采集 PAGEREF _Toc319564252 h 13 HYPERLINK l _Toc319564253 3.1.1 磁阻效应原理 PAGEREF _Toc319564253 h 14 HYPERLINK l _Toc319564254 3.1.2 位移传感器工作原理 PAGEREF _Toc319564254 h 15 HYPERLINK l _Toc319564255 3.1.3 位移传感器信号采集接口 PAGEREF _Toc319564255 h 16 HYPERLINK l _Toc

20、319564256 3.2 高速开关电磁阀驱动 PAGEREF _Toc319564256 h 17 HYPERLINK l _Toc319564257 3.2.1 气动高速开关阀的工作原理 PAGEREF _Toc319564257 h 17 HYPERLINK l _Toc319564258 3.2.2 气动高速开关阀的动态特性及静态特性 PAGEREF _Toc319564258 h 19 HYPERLINK l _Toc319564259 3.2.3 高速开关阀驱动电路设计 PAGEREF _Toc319564259 h 22 HYPERLINK l _Toc319564260 3.3

21、 通讯电路设计 PAGEREF _Toc319564260 h 23 HYPERLINK l _Toc319564261 3.4 本章小结 PAGEREF _Toc319564261 h 25 HYPERLINK l _Toc319564262 第4章 FPGA数字逻辑设计 PAGEREF _Toc319564262 h 26 HYPERLINK l _Toc319564263 4.1位移信号传感器的细分辨向 PAGEREF _Toc319564263 h 26 HYPERLINK l _Toc319564264 4.1.1 细分辨向原理 PAGEREF _Toc319564264 h 26

22、HYPERLINK l _Toc319564265 4.1.2 高速时钟分频 PAGEREF _Toc319564265 h 27 HYPERLINK l _Toc319564266 4.1.3 细分辩向的逻辑电路实现及仿真 PAGEREF _Toc319564266 h 29 HYPERLINK l _Toc319564267 4.2 PWM信号发生模块设计 PAGEREF _Toc319564267 h 33 HYPERLINK l _Toc319564268 4.2.1 PWM的介绍 PAGEREF _Toc319564268 h 33 HYPERLINK l _Toc319564269

23、 4.2.2 PWM的产生原理及形式 PAGEREF _Toc319564269 h 35 HYPERLINK l _Toc319564270 4.2.3 PWM模块逻辑结构设计 PAGEREF _Toc319564270 h 38 HYPERLINK l _Toc319564271 4.3 采用逻辑互联实现的增量式PID控制电路 PAGEREF _Toc319564271 h 39 HYPERLINK l _Toc319564272 4.3.1 增量式PID控制原理 PAGEREF _Toc319564272 h 39 HYPERLINK l _Toc319564273 4.3.2 PID控

24、制模块设计与仿真 PAGEREF _Toc319564273 h 42 HYPERLINK l _Toc319564274 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc319564274 h 43 HYPERLINK l _Toc319564275 结论 PAGEREF _Toc319564275 h 45 HYPERLINK l _Toc319564276 参考文献 PAGEREF _Toc319564276 h 46 HYPERLINK l _Toc319564277 攻读硕士学位期间发表的学术论文 PAGEREF _Toc319564277 h 49 HYPERLINK l _Toc319

25、564278 致谢 PAGEREF _Toc319564278 h 50哈尔滨理工大学工学硕士学位论文- PAGE 12-第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义1965年D.Stewart首次在一篇发表的论文中提到了六自由度并联机构运动平台，因此这种由上下平台、铰链关节及六根直线伸缩的驱动杆组成的机构也称为Stewart平台。并联机构与串联结构相比，其承载能力大，定位精度高，系统刚度高以及结构简单等优点1。不过也存在工作空间局限，容易发生结构奇异干涉，位置正解难以及高精度铰链设计制造难等缺点。目前对并联结构的结构学、运动学及动力学等研究仍在继续。六自由度并联机构由于其应用的领域不同，有着不同

26、的执行器驱动方式，目前主要有电机驱动滚珠丝杠(电缸)传动方式，阀控液压缸及电液混合执行器驱动方式，压电晶体执行器驱动方式，气缸及气动人工肌肉驱动方式以及电机驱动滑轮钢索方式2。电机驱动滚珠丝杠方式具有运动响应快，精度高，噪音低，对工作环境适应性高等优点，但其系统的承载能力较弱，适用于并联机器人，并联机床等要求定位精度高，速度响应快，承载质量小的场合。目前采用电缸这种伺服电机和滚珠丝杠一体化封装的模块化设计，使得电机驱动滚珠丝杠这类并联机构平台更加紧凑，具有定位精度高，结构简单等优点。阀控液压驱动及电液混合执行器具有刚度大，承载能力大，响应速度快，功率-重量比大等优点。其中阀控液压缸采用电力驱动

27、液压阀进而控制流入液压缸流体的流量的方式，液压元件加工精度要求比较高，维护性较差等缺点；电液混合执行器则采用伺服电机直接驱动液压缸的方式，又称无阀电液伺服系统，其结构更加简单，体积更小，易于维护等优点。压电晶体执行器对电压动态响应特性快，控制精度高3。由于压电晶体靠施加在晶体表面的电压从而产生形变，所以运动位移极小。由于压力作用在晶体上可以产生电压，实际应用中压电晶体更适合在并联机构做压力传感器来使用，从而制造出一种微型的六自由度运动传感器。电机驱动滑轮钢索其运动空间最大，不过定位精度不高，适合承载一些巨型机构，比如射电望远镜等等。气缸及气动人工肌肉作为执行器具有结构简单，响应快，柔性好等优点

28、，使用气源清洁，适用于工业制造，触诊传感力学再现设备等领域。由于气体的可压缩性，其定位精度相比液压缸和电缸低4。由于气动伺服系统成本相对低廉、能耗低，在很多领域，特别是绿色制造领域上越来越受欢迎。因此设计价格低廉、定位精度更加接近理论局限的气动伺服系统，能某些应用领域上替代昂贵的液压伺服及电机伺服，可以大大的降低生产成本，提高生产力。目前对于气动并联机构的控制多采用独立的气缸及位移传感器，采用数据采集卡结合工控机进行控制，由于需要6个通道的传感器采集接口以及12通道的电磁阀驱动接口，工控电脑既要对每个气缸根据传感器信号进行独立的反馈控制，又要对6个气缸的整体运动算法进行控制。因此采用上诉方案需

29、要的硬件资源较大，价格昂贵，开发难度高。采用嵌入式实时控制技术，将六个分支气缸进行独立的反馈控制，运用通讯总线与上位机进行运动算法控制与气缸运动参数的采集。该方案不仅大量节省数据采集卡的开销，而且可以分为硬件层、控制层、算法层等层次开发。目前嵌入式实时控制平台主要有16/32位MCU、DSP、FPGA等。采用MCU和DSP架构对气缸的反馈控制5，需要一个单独内核来实现其算法程序才能保证其实时性的要求，因此对于并联机构的控制，采用MCU、DSP架构则需要一定数量的控制板。采用FPGA，运用IP核复用技术以及硬件描述语言，可以将气缸控制算法和信号采集处理算法用硬件实现，相比软件算法实现方式，对CP

30、U要求只是任务调度和通讯协议的支持，控制算法使用并行实现的方式，将六个气缸的控制模块集中在一块FPGA芯片上，既降低了成本，同时减少了控制系统硬件电路的复杂性。1.2 气动控制的国内外发展与应用情况长久以来对于气缸位移以及力的精确控制多采用气动比例阀和气动伺服阀，由于其高昂的器件价格极大的限制了气动伺服控制的广泛应用。而早期的开关阀主要应用于一些气动开关控制领域中，应用十分局限。随着电子信息技术的不断发展，数字信号处理技术使得模拟器件能够采用数字控制的方式，因此开关阀这种离散控制方式逐渐被引进气动控制系统中取代比例阀和伺服阀。20世纪六十年代，Burrows与Goldstein等第一次验证开关

31、电磁阀的比例控制特性，并实现了气缸的位置、力及速度的伺服控制。此后大量研究者采用高速开关电磁阀替代比例阀和伺服阀进行气动控制6。如Noritsugu、Morito、Kunt和Ahn等学者采用了不同的控制算法，通过高速开关阀对气缸实现精确控制。哈尔滨工业大学的孟宪超、包钢等学者通过修正差动脉宽调制技术，采用模糊+PI控制算法，大大提高了气动伺服系统的动态响应特性和精度和系统的稳定性7。浙江工业大学的杨庆华采用FPGA作为实现平台设计了气动柔性手指的神经网络控制器8；上海理工大学的叶林华采用日本SMC公司CE1系列行程可读气缸构建气动伺服系统，运用模糊+PID控制算法,采用PWM气压控制的方式对气

32、动系统的跟踪阶跃，方波和正弦等激励信号进行研究，取得了关键数据9。日本则次俊郎首次将PCM控制方法引入气动伺服系统，成功采用PCM技术对3-DOF机器人进行驱动控制，得到0.25mm的定位精度；则次俊郎同时也是PWM开关伺服控制的提出者，他成功地将该技术应用于气动输送机的控制，得到了0.06mm的定位精度。王宣银博士则首次提出可变增益的PCM控制，采用自校正、自学习的算法，获得了0.18mm的定位精度10。由于高速开关阀体积小，响应频率高，低能耗低价格等优点使得气动伺服越来越被工业自动化、生物医疗、食品纺织等行业广泛应用11。目前随着气缸、气爪及气动人工肌肉等气动执行器的的广泛应用。气动电磁阀

33、逐渐使用高速开关阀替代伺服阀、比例阀，驱动方式则采用PWM/PCM方式。气动控制正朝着高精度，低成本，低功耗的方向发展12。1.3 课题的主要研究内容气动并联机构其研究主要集中在并联机构运动学和动力学的数学理论研究，机械结构设计及优化、驱动系统的设计及运动算法的开发。其研究范围广泛，理论深度高。对于六自由度并联机构的驱动控制来说，每个分支的控制方式驱动电路基本一致。因此本文研究主要集中在单个分支气动伺服的研究和实现。可分为两个部分，一部分为板级硬件电路设计；另一部分则为FPGA的硬件逻辑设计。对于板级硬件电路设计，主要研究传感器信号的接口电路，电磁阀的驱动电路及与上位机通信总线接口。采用PRO

34、TEL对其进行原理图的设计和PCB图的绘制。详细分析了气缸传感器及电磁阀的电气性能参数。对驱动芯片，隔离芯片及串行总线芯片进行了选型。对于FPGA的逻辑设计，首先了解FPGA的内部架构及软硬件设计流程，采用自顶向下（Top to Down）的开发方法，如图1-1所示，划分气动控制单元组成为传感器信号调理、开关阀PWM驱动、增量式PID控制等功能模块及相应的子模块，并采用Altera公司Quartus II EDA软件平台进行逻辑设计和验证。图1-1 气动控制单元自顶向下设计结构Fig.1-1 Top-down design of pneumatic control unit对于FPGA片内逻辑

35、设计主要研究内容有：1.研究高速开关电磁阀的驱动机理及PWM的产生方式。通过FPGA的可扩展性和灵活定制性设计PWM信号产生模块用于驱动高速开关电磁阀，进而控制气缸的位移、速度及加速度。并采用Verilog HDL语言和Block图设计相结合等方式设计并仿真单路PWM驱动模块。2.对于SMC的CE1系列气缸自带的磁阻位移传感器，创新的采用了硬件细分技术，采用逻辑设计方法，通过FPGA硬件互联进行实现，从而在传统的磁阻位移传感器原有的测量精度上提高4倍，并在Quartus II软件平台上进行波形验证。3.研究气动PID控制原理并通过数字逻辑电路中的加法器和乘法器设计一个并行处理的硬件PID控制模

36、块。在模块设计中采用并行架构、流水线设计等方式，使设计出来的PID控制模块具有硬件资源开销小，运行速度快等优点。第2章 基于FPGA气动伺服的研究2.1气动伺服的组成及原理2.1.1 气动伺服工作原理气动系统相比其他传动方式具有高功率质量比、柔性好、噪声小和清洁无污染等显著优点。由于其传动介质为空气，因此具有较大的压缩比；气缸内可变的摩擦力，使得定位控制具有很强的非线性等特点13。如图2-1所示，气动伺服配置两个二位三通开关电磁阀，通过对两个高速开关阀的电磁线圈进行通电和断电达到开和关的目的，进而对气缸左右两个内腔进行充气和放气。与带回位弹簧的气缸的单电磁阀控制相比，其前后运动驱动力更加均匀运

37、动方式较为线性。图2-1 气动伺服系统原理框图Fig.2-1 Block diagram of pneumatic servo system为保证输入气缸的空气介质清洁干净，稳定缸内气压在安全工作压力值范围内，选用集成气动三件套等气动辅助元件做滤清和稳压作用。气动并联机构控制需要6个相对独立的控制单元，每个控制单元负责每个气缸的位移信号处理和闭环控制，信号采集电路采集位移传感器的位移量信号作为FPGA控制电路的反馈输入，控制电路通过CPU或硬件逻辑实现的控制算法产生PWM信号，经过驱动电路的功率放大从而驱动2个高速开关电磁阀，精确的控制气缸的位移。2.1.2 气动元器件选型本项目采用的气动执行

38、器为SMC生产的CE1系列单杆双作用行程可读气缸，如图2-2所示，其最高使用压力可达1.0MPa，运动行程可达到150mm。传感器电源为10.826.4V直流电压，消耗电流为50mA，其宽电压和低功耗适合于12V、24V等控制电路进行供电。行程分辨率为0.04mm，在四倍频电路下可达0.01mm。其输出信号方式为A、B相集电极开路方式，适合MOS和TTL信号电平。图2-2 CE1系列可读数气缸Fig.2-2 CE1 stroke reading cylinder series电磁阀选用SMC生产的VQ110系列三通直动式电磁阀，其阀体厚度小，流量大。响应时间为通3.5ms、断：2ms。采用12

39、V、24V直流电压作为驱动电压。正常工作压力范围为00.7MPa。消耗功率为1W，其低功耗，低价格和小体积适合应用于气动并联机构。可选用插头引线式集装板，在多个电磁阀的应用中可结构紧凑，减少体积。a) 单电磁阀 b) 集成安装形式图2-3 VQ110系列电磁阀Fig.2-3 VQ110 solenoid valve series2.2 FPGA的架构及其优点2.2.1 可编程逻辑器件的发展及应用复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device）简称CPLD，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）简称FPGA。前者具有

40、低成本适合于组合逻辑电路的设计；后者具有高性能及丰富的硬件资源适合于时序逻辑的设计验证和并行数字信号处理算法的实现等。但其在设计开发流程及应用领域基本一致。CPLD最早由Altera公司推出的MAX系列产品，其多为Flash、EEPROM的架构或乘积项（Product Term）架构的PLD。FPGA则最早由Xilinx公司推出的，采用SRAM或查表（Look Up Table）的硬件架构，运行速度更高但不具有掉电存储能力，在板级设计时需要配置EEPROM、Flash等芯片存储数据及硬件互连信息。随着亚微米，深亚微米至纳米级CMOS电路制造工艺的成熟和完善，使FPGA的门电路的集成度从数十万门

41、级到四百多万门级不断增大，器件的速度也从MHz级到GHz级，同时器件的功耗也越来越低，价格也在不断下降。其灵活定制性，低功耗，丰富的可供开销的硬件资源，在高性能实时信号处理（DSP）以及多轴运动控制方面，在各个工程领域被逐渐广泛采用。目前全球知名的半导体公司，如Xilinx、Altera、Lattice和Atmel等公司均不断提供和完善自有的FPGA产品14。在气动控制、电机控制和液压伺服方面，凭借FPGA高速的时钟频率，超大规模的逻辑阵列，丰富的IO接口，其应用前景十分广阔。与采用单片机或ARM做实时操作系统和人机界面、DSP做运动控制算法的双芯片架构相比，FPGA的优点在于高性能，低价格，

42、板级电路设计相对简单，无需改动硬件电路，通过软件实现方式可应用于其他的电液气控制平台的开发。由此产生的SOPC技术，可以在FPGA内嵌8051、NIOS、ARM等8/16/32位软核处理器作人机交互，通讯和控制信号输出等功能，并采用通用DSP、FFT和FIR等数字信号处理的IP核实现算法控制。可以采用逻辑原理图方式对系统的逻辑架构进行设计和分析。可以运用VHDL、 Verilog HDL等硬件描述语言，编写高效率的算法程序，直接综合成门级电路，从而跨过常规的CPU处理方式，其并行处理能力大大的提高，在智能控制，自适应控制等方面具有极大的发展潜力。通过EDA软件平台进行编译仿真和综合，在软件层面

43、对所设计的硬件功能进行验证。2.2.2 FPGA的内部架构CPLD/FPGA的内部结构各有特点，不同厂家的CPLD/FPGA是实现方式和制造工艺也有所区别，其主要由三个部分构成：二维的逻辑单元(LE)，LE作为实现硬件互连实现的基本单元，是FPGA/CPLD器件逻辑组成的核心。不同的厂家的逻辑单元结构不同，根据定义分为LE(Logic Element)、MC(MacroCell)、CLB(Carry Logic Block)、Slices等等。每个单元既有组合逻辑电路也有时序逻辑电路；输入/输出块，作为在板级系统方面与其他电路的接口，FPGA配置有一百多甚至几百的IO接口，方便大型电路的应用；

44、连接逻辑单元的互连资源，是逻辑单元之间，逻辑单元与输入/输出之间的连接，是通过硬件描述语言在片内实现不同功能电路的桥梁。图2-4 Cyclone II芯片布局Fig.2-4 Block diagram of Cyclone II device如图2-4所示为Altera的Cyclone II系列FPGA芯片的内部结构，其主要由逻辑阵列块LAB（Logic Array Block）、输入输出单元IOEs（Input Output Elements）、嵌入式乘法器（Embeded Multiplier）、锁相环（PLL）以及4K位存储器（M4K Blocks）组成。每个逻辑阵列由16个逻辑单元（L

45、E）构成。以行列形式在FPGA芯片上排列。逻辑单元作为FPGA的基本单元，其数量决定着FPGA可以利用的硬件资源。图2-5 逻辑单元(LE)结构（普通工作模式）Fig.2-5 Logic element(LE) structure in normal form如图2-5所示，每个逻辑单元包括4输入端口的查找表（LUT）、可编程D触发器及其互联逻辑所组成。查找表（LUT）作为FPGA与CPLD的工作方式最主要的区别，其本质是4位地址线的随机存储器。通过原理图或HDL 语言完成一个功能模块的逻辑电路描述，EDA软件会计算逻辑电路的所有可能的结果并通过JTAG接口下载到串行配置芯片，系统上电后串行配

46、置芯片将结果写入FPGA的LUT单元，这样每个输入信号的逻辑运算相当于输入一个地址进行查表，根据该地址得到相应的内容并进行输出15。表2-1 Cyclone II系列FPGA内部资源Table 2-1 Internal resources of Cyclone II series特性EP2C5EP2C8EP2C15EP2C20EP2C35EP2C50EP2C70LEs460882561444818752332165052868416M4K RAM26365252105129250RAM bits1198081658882396162396164838405944321152000乘法器2318

47、26263586150锁相环2244444用户I/O数158182315315475450622表2-1为Altera公司Cyclone II系列FPGA内部硬件资源参数。其逻辑单元数从4608到68416不等，可以适合不同硬件规模的需求。Cyclone II系列FPGA内部带有2-4个锁相环(PLL)，高达16个全局时钟线提供的时钟网络为FPGA的各个模块及I/O单元提供时钟。使用数字锁相环(PLL)可实现FPGA片内时钟倍频、分频、移相以及高速差分信号输出（LVDS）。嵌入式乘法器是实现并行算法处理的主要单元，每个乘法器可配置成一个1818或两个99的乘法器，通过PLL将外部晶振时钟倍频，

48、其处理速度可达250MHz。嵌入式存储器由带校验的4K位双口RAM组成，具有最高达到36位的位宽，高达270MHz存取速度。输出输出单元IOEs分配在外围部分，可以提供MOS和TTL类型的单端及差分逻辑I/O。2.2.3 FPGA系统设计流程FPGA的开发流程包括硬件开发和软件开发两个部分。硬件开发也称作板级设计，主要包括对FPGA供电的电源电路、存储和运行程序的Flash和SDRAM电路、采用晶振实现的时钟电路和各种通讯总线接口以及其它外接设备等，其设计软件主要采用Protel、Orcad、PADS及Cadence等软件。软件开发包括采用HDL语言实现的数字电路功能、算法以及结合软核CPU构

49、建SOPC平台，其设计软件主要采用Altera的Quartus II、Xilinx的ISE Design Suit等EDA平台。现如今随着微电子工艺的发展，FPGA的生产制造成本不断的下降，器件运行速度不断的上升，其在各个领域应用更加广泛，并在某些场合逐渐替代了传统的16/32位的单片机及DSP。目前微电子技术以发展到SOC（System On Chip）阶段，相对传统的集成电路设计思想上有了巨大的变化。SOC是一个复杂的系统，旨在将传统板级系统设计的CPU，存储器，接口电路等等集合在单芯片上，由此可以带来制造成本的降低，产品的轻量化，延长使用寿命等等优点。其设计方法则采用自顶向下的设计方式，

50、将系统级设计划分为各个功能模块的软硬件协同设计。FPGA的设计正是引入了这种方式，其开发流程如图2-6所示，主要有系统划分、HDL输入、编译综合、时序仿真、适配实现等等。系统划分：主要采用自顶而下设计方法，将FPGA片内系统分为各个功能模块，包括配置软核CPU、通讯接口、AD/DA调理电路、人机接口电路以及数据缓冲等等模块。系统划分作为FPGA开发的第一步，规划了系统的架构，关系到整个系统是否能完成预期的功能即实现效率。HDL代码和原理图输入：HDL代码用于大型系统中替代原理图输入繁琐等局限性，目前主流HDL语言主要有VHDL和Verilog HDL，为美国电气与电子工程师协会(IEEE)标准

51、。其语言描述无需关联芯片工艺，因此用HDL语言编写的模块可以在不同的FPGA芯片上进行移植，提高了模块的可复用性。HDL不仅具有很强的逻辑描述能力用来进行逻辑设计，也可以进行仿真测试中测试文本(Test Bench)的编写，提高系统的验证及仿真能力。原理图输入作为对电路最直接的描述方式，将需要的逻辑器件直接中原理图库调用，画出原理图，主要应用于中小规模的逻辑设计。目前设计方法主要才用HDL和原理图混合设计方式，将原理图库中没有的功能器件用HDL编写、编译和综合，满足功能需求后生成IP核直接在原理图设计上调用。图2-6 FPGA开发流程Fig.2-6 FPGA development flow编

52、译综合：对于原理图和HDL语言描述完成后，需要对其进行编译综合以便进行仿真及下载。综合(Synthesis)旨在将HDL描述的设计输入通过EDA软件编译为各种逻辑门、触发器和寄存器单元等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表16。根据模型的抽象程度，综合可以划分为门级综合、RTL级综合和行为级综合。目前Quartus II和ISE Design Suit都集成编译器和综合器，都支持门级和RTL级综合。也可以选择第三方公司的综合器，如Synplify等。仿真：仿真分为前仿真和后仿真。前仿真又称功能仿真，旨在编译前对电路的逻辑功能进行仿真，不包含FPGA内部电路时序延迟等信息。仿真前需要输入用波形编辑器或

53、硬件描述语言编写的测试文本作为信号激励。通过仿真生成输出信号波形图，可以验证所设计的电路功能是否符合需求。后仿真也称为时序仿真，主要是检测编译综合后的门电路的时序延迟时候符合要求，优化时钟树等等。目前Quartus II和ISE Design Suit都有各自的仿真器。如果需要更高级功能，可使用Modelsim、VCS等第三方仿真器。适配：适配也称布局布线，主要利用EDA软件将综合出来的逻辑功能映射到FPGA芯片的内部资源中，并产生相应的配置文件和报告，通过JTAG接口将16进制配置文件下载到FPGA的配置芯片中，便可以在板级通过FPGA实现所设计的功能。由于布局布线涉及到FPGA芯片的物理内

54、部结构及制造工艺，因此必须采用相应芯片开发商提供的工具。2.3 本章小结本章主要简述了气动伺服系统的组成和FPGA的芯片架构以及开发方法。对于单路气缸的控制器件和执行器件的结构设计，为后期的器件传感及驱动提供一个平台。通过对FPGA的内部结构的了解和开发流程的详细认识，为FPGA逻辑设计和以及气动控制系统的模块化划分提供了理论基础。- PAGE 27-第3章 气动控制系统总体设计如图3-1所示，气动控制系统的硬件电路主要有五个部分组成：传感器采集电路：采集磁阻位移传感器位移信号及提供12V-24V电源。电磁阀驱动电路：由于FPGA核心板的IO接口输出的是3.3V电平信号，而电磁阀驱动则需要12

55、V-24V的电压。因此需要设计一个驱动电路驱动电磁阀和感性负载与FPGA的IO之间进行隔离保护。电源模块：对于气动伺服采用24V开关电源供电，而电路中需要3.3V、5V及24V的电压，因此设计一电源电路进行多电压管理。通讯电路：设计USB及RS232串行通讯接口与PC、工控机等上位机通讯，方便后期数据的采集及运动算法的开发。FPGA核心板：作为气动伺服的核心，采用Altera的Cyclone II系列FPGA芯片，内置串行配置芯片、Flash和SDRAM；配合EP2C8丰富的逻辑单元资源，可以进行更高级的控制算法的开发。图3-1 气动控制系统硬件架构Fig.3-1 Hardware archi

56、tecture of pneumatic control system3.1 位移传感器信号采集气动六自由度并联平台通常采用位移和压力传感信号作为反馈进行闭环控制，其中位移的检测通常采用磁阻位移传感器，磁性伸缩位移传感器，光栅尺位移传感器，光电编码盘。光电编码盘必须采用蜗轮蜗杆等降速机构将角位移转换为直线位移，其机构复杂，加工难度大，精度很难保证17。而光栅尺位移传感器精度极高，不过造价高，对于六自由度平台六个分支机构的位移实时测量过于价格过于高昂。磁性伸缩位移传感器测量精度高，行程长，其测量两个脉冲信号的时间差来测定其位移，因此需要的处理电路较为复杂18。磁阻位移传感器是一种新型检测位移的元

57、件，它利用磁阻效应原理测量绝对位移，不仅可以用来测量物体运动的直线位移，还可以给出运动速度的信号，具有精度高，动态特性好，价格适中等优点。在国内外的六自由度气动和电液驱动平台上的测量，控制和检测具有广泛的应用。3.1.1 磁阻效应原理磁阻效应是基于霍尔效应的延伸，如图3-2展示霍尔效应的原理，当载流子导体或半导体上有电流经过时，其上面自由电子的运动速度为；在其垂直方向施加一磁场，其运动的自由电子受到洛伦兹力，该力与自由电子速度和磁场大小成正比；由右手定则可以判定受洛仑兹力的电荷的运动方向，因此，电荷逐渐在长为宽为的半导体两侧积累，形成场强逐渐增大的霍尔电场。产生电动势。霍尔电场又对电子产生了电

58、场力。当电场强度大到与相等时，这时候电子受力平衡，不再往两个侧电极积累，其响应的电动势恒定，称为霍尔电势19。因此磁场强度的改变将会影响霍尔电势的大小。依据原理可制造角速度传感器和行程开关等，广泛应用于汽车传感器及自动化设备。图3-2 霍尔效应原理Fig.3-2 The principle of Hall-Effect在霍尔效应中，假定的是载流子的运动速度为恒定值。实际上，流经该半导体的载流子速度不同。在洛仑兹力作用下一些速度大的载流子受力不平衡仍会发生偏转，打到半导体两侧，因此该半导体内部的电流是不均匀的，改变磁场的强弱则会改变电流的密度，表现为该材料电阻的变化，因此称之为磁阻效应。由于各向

59、异性磁阻效应(Anisotropic Magnetoresistive, AMR)的存在20。当外加磁场平行磁体内部的磁化方向时，电阻不随外加磁场的变化。当两者方向发生偏离时，此类金属的电阻可变化23%。3.1.2 位移传感器工作原理磁阻位移传感器利用了AMR效应，将四个磁阻元件附在磁性元件上面，由此等效为4个可变电阻，并连接成惠斯通电桥，可以用来精确测量微小电阻值的变化。图3-3 惠斯通电桥电路Fig.3-3 The circuit of Wheatstone bridge如图3-3所示的惠斯通电桥结构，通过四个可变电阻构成的全桥电路，可以很好的补偿电桥的非线性输出特性，提高了电桥的检测灵敏

60、度。其桥路输出为： (3-1)对于单电桥电路，由于受温度的影响变化比较大，需要温度补偿电路。因此位移传感器采用双电桥电路对其进行补偿。采用双电桥设计，还可同时输出A、B两路传感信号，即达到判别气缸运动方向的功能，又能进行四倍频处理，提高测量精度。如图3-4所示的磁阻传感器的工作原理，在活塞杆车制的螺纹上面附加磁性材料，由此产生了磁性截面和非磁性截面构成了外部磁场，根据AMR效应，当磁阻元件到达磁性截面，其磁性元件产生的内部磁场和外部磁场平行时，电阻不变。当不平行时，电阻发生变化引起电压发生变化，该过程在每个螺纹上面交替产生，因此生成了两路正弦波形，经过计数器或斯密特触发器，便可以产生A、B两路