一种基于FPGA技术的高频疲劳试验机控制器的研制(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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4 部分模块设计

FPGA部分可划分成两个模块，其中正弦波发生器模块又可细分成几个小模块，如图2所示。

4.1 锁存器设计

锁存器用来将单片机送来的频率数据锁存稳定在FPGA中，可以用片内的锁存器资源（或用触发器）来构成。

4.2 运算器设计

运算器是用来将频率数据转换成正弦波点与点之间的定时数据。该运算器实际上最终可转换成一除法器。该除法器描述如下：

—VECTOR（WIDTH— R－1 DOWNTO 0））；
END COMPONENT；

上述描述实际上是调用了Altera公司的参数化模块库（LPM）中的一个元件。元件描述后，只要在程序中用Generic map和port map语句映射该元件即可。所要注意的是，上述口信号remainder是numerator和denominator模运算的结果，所以应将remainder与denominator／2相比较，实际结果应在比较的基础上决定加1还是不加1。

4.3 定时器设计

定时器根据运算器传来的定时数据定时。它可以通过对基准时钟计数来实现，当定时时间一到，就触发波形的输出。

设计中采用了两个计数模块来同时计数，一个模块计数时钟的上边沿，而另一模块则计数时钟的下边沿。这样相当于使系统时钟频率提高了一倍，充分利用了系统资源。

4.4 波形输出

波形输出是当定时器满足定时要求触发后就输出此时的正弦值，多个点的触发输出就形成了一个正弦波。

为节省芯片资源，这部分求某时正弦值的功能不采用构造运算器来算出正弦值，而是利用查表结构。象Xilinx公司FPGA芯片则可以利用CLB块来配置RAM或直接利用Logiblox来生成。还有象Altera公司的Flex10k系列就用查找表结构（LUT）来构建片内ROM或RAM。在工程文件中创建RAM或ROM块以后，可以通过将各时刻的正弦值（以ASCII字符表示）写进MIF文件（初始化文件）中，从而存储在RAM或ROM块中。在定时器触发后生成该时的地址，通过查询该RAM或ROM块就可输出该时得正弦值。

5 芯片的具体实现

本系统的FPGA采用Altera公司的Flex10k系列芯片。芯片利用开发软件Max＋plusII将各个模块（图1虚线框部分）用VHDL语言描述并输入，由软件自动编译、综合、布局和布线，生成编程用的数据文件，加载到FPGA的配置存储单元。对FPGA芯片进行配置可有多种模式，由于本系统中有单片机，所以采用串行从模式，省掉了用一片EPROM来存储编程数据。当系统上电时，单片机自动将存在其内部的配置数据送到FPGA内部存储单元中。

6 结束语

系统通过引进现场可编程门阵列芯片FPGA，来实现波形发生器这一模块，且将周围其他数字逻辑电路也集成至该芯片中。这样既可以解决了系统的特殊性，又增强系统抗干扰性，提高控制精度，也简化了调试。此外，本系统还将波形发生器、滤波器等硬件通过VHDL语言在FPGA芯片中实现，而将控制算法等软件用FPGA这一硬件来实现，使系统体现出“硬件软化，软件硬化”这一重要特点。

参考文献
1 Altera公司．The Programmable Logic Data Book．2000
2 Jesse H．Jenkins．Designing with FPGA and CPLD．1995
3 张明勋．电力电子设备设计和应用手册．北京：机械工业出版社，1990．6
4 天水红山试验机厂．PLG－10型高频疲劳试验机技术讲座．1980．1 (

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