摘要：將現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）應用在高頻疲勞試驗機控制器中，以此來滿足高頻疲勞試驗機對于波形頻率等方面的特殊要求，使系統(tǒng)整體性能得到提高。
關(guān)鍵詞：FPGA，高頻疲勞試驗機，波形發(fā)生器
1 引言
1.1 高頻疲勞試驗機控制器簡介
高頻疲勞試驗機是一種主要用于測定金屬及其合金材料在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或拉、壓交變負荷的疲勞性能試驗的機器。其特點是可以實現(xiàn)高負荷、高頻率、低消耗，從而縮短試驗時間，降低試驗費用，是我國工業(yè)發(fā)展的主要測試設備之一。傳統(tǒng)的高頻疲勞試驗機控制器主要通過光學放大機構(gòu)來直接測力或振幅，內(nèi)部采用大量分立元件，所帶來的問題有：讀數(shù)不方便；結(jié)構(gòu)比較復雜，控制精度不高；由于采用大量分立元件，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易受外界干擾；操作比較繁瑣。
1.2 FPGA簡介
現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（FieldProgrammable Gate Array）是美國Xilinx公司于1984年首先開發(fā)的一種通用型用戶可編程器件。FPGA既具有門陣列器件的高集成度和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。
FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I／O單元陣列構(gòu)成，一個FPGA包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。一片F(xiàn)PGA芯片就可以實現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個標準數(shù)字集成電路所實現(xiàn)的系統(tǒng)。
FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和I／O單元都可以由用戶編程，可以實現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設計需求。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復雜系統(tǒng)的設計。使用FPGA還可以實現(xiàn)動態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)（可以在系統(tǒng)運行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關(guān)或時間相關(guān)的任務）及硬件軟化、軟件硬化等功能。
鑒于高頻疲勞試驗機控制器控制規(guī)模比較大，功能復雜，故我們在研制過程中，在傳統(tǒng)試驗機控制器的基礎上，通過FPGA技術(shù)及微機技術(shù)兩者的結(jié)合，來全面提升控制器系統(tǒng)的性能，使整機的工作效率、控制精度和電氣系統(tǒng)可靠性得到了提高，且操作方便而又不乏技術(shù)的先進性。
2 控制器結(jié)構(gòu)及內(nèi)容
本控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，下位機是整個高頻疲勞試驗機控制器的核心。用于實現(xiàn)產(chǎn)生控制試驗機的控制信號和數(shù)據(jù)，反饋信號的處理，以及和上位機進行數(shù)據(jù)通信。其控制功能強弱也直接影響著整個控制器性能的好壞。圖中波形發(fā)生器是用于激勵和保持電磁激振器的振動。在此，波形發(fā)生器應輸出正弦波。
3 系統(tǒng)采取的技術(shù)路線
系統(tǒng)在實現(xiàn)技術(shù)參數(shù)、功能要求的基礎上，結(jié)合目前微機及FPGA等微電子技術(shù)，采取了以下主要技術(shù)路線：
（1）下位機是系統(tǒng)控制的核心。由于本系統(tǒng)控制規(guī)模相對比較復雜，控制對象具一定特殊性（如高頻率，高負荷等），且牽涉到控制電機，故不采用傳統(tǒng)的8位機，而是考慮采用功能相對更強大，速度更快的16位機—87C196系列。
（2）激振器要求輸入波形為正弦波，試驗的頻率范圍為80～250Hz。另外，系統(tǒng)還應該能夠進行掃頻試驗。在掃頻試驗中，系統(tǒng)以1Hz為步長進行掃頻（粗調(diào)），再在粗調(diào)的基礎上進行微調(diào)（以0．1Hz為步長），以確定系統(tǒng)的共振點。可以看出，能產(chǎn)生精度為0．1Hz波形的電路模塊是整個系統(tǒng)設計中很關(guān)鍵的一部分，也是設計難點之一。這部分如通過單片機或其它專用芯片則不能或很難實現(xiàn)。系統(tǒng)采用FPGA作波形發(fā)生器，見圖1中虛線框所示部分。這樣做的優(yōu)點是：高速（一般芯片頻率至少幾十兆，甚至上百兆）且能滿足上述精度要求；采用數(shù)字電路實現(xiàn)，抗干擾性好；能把其它邏輯電路也集成至該芯片中，省掉了許多分立元件，同時也減少了體積；能夠按需改變波形。
（3）直流調(diào)速通過變壓實現(xiàn)，而變壓則通過采用晶閘管的可控整流器來完成。通過單片機輸出可變電壓給移相觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出可控導通角給可控整流器，實現(xiàn)電機速度的調(diào)整。有利于提高系統(tǒng)的可靠性。
（4）系統(tǒng)部分重要信號用數(shù)字濾波器濾波，該數(shù)字濾波器用FPGA實現(xiàn)。與軟件濾波相比，此方法有利于改善信號的濾波效果，且濾波速度得到很大提高。
4 部分模塊設計
FPGA部分可劃分成兩個模塊，其中正弦波發(fā)生器模塊又可細分成幾個小模塊，如圖2所示。
4.1 鎖存器設計
鎖存器用來將單片機送來的頻率數(shù)據(jù)鎖存穩(wěn)定在FPGA中，可以用片內(nèi)的鎖存器資源（或用觸發(fā)器）來構(gòu)成。
4.2 運算器設計
運算器是用來將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成正弦波點與點之間的定時數(shù)據(jù)。該運算器實際上最終可轉(zhuǎn)換成一除法器。該除法器描述如下：
—VECTOR（WIDTH— R－1 DOWNTO 0））；
END COMPONENT；
上述描述實際上是調(diào)用了Altera公司的參數(shù)化模塊庫（LPM）中的一個元件。元件描述后，只要在程序中用Generic map和port map語句映射該元件即可。所要注意的是，上述口信號remainder是numerator和denominator模運算的結(jié)果，所以應將remainder與denominator／2相比較，實際結(jié)果應在比較的基礎上決定加1還是不加1。
4.3 定時器設計
定時器根據(jù)運算器傳來的定時數(shù)據(jù)定時。它可以通過對基準時鐘計數(shù)來實現(xiàn)，當定時時間一到，就觸發(fā)波形的輸出。
設計中采用了兩個計數(shù)模塊來同時計數(shù)，一個模塊計數(shù)時鐘的上邊沿，而另一模塊則計數(shù)時鐘的下邊沿。這樣相當于使系統(tǒng)時鐘頻率提高了一倍，充分利用了系統(tǒng)資源。
4.4 波形輸出
波形輸出是當定時器滿足定時要求觸發(fā)后就輸出此時的正弦值，多個點的觸發(fā)輸出就形成了一個正弦波。
為節(jié)省芯片資源，這部分求某時正弦值的功能不采用構(gòu)造運算器來算出正弦值，而是利用查表結(jié)構(gòu)。象Xilinx公司FPGA芯片則可以利用CLB塊來配置RAM或直接利用Logiblox來生成。還有象Altera公司的Flex10k系列就用查找表結(jié)構(gòu)（LUT）來構(gòu)建片內(nèi)ROM或RAM。在工程文件中創(chuàng)建RAM或ROM塊以后，可以通過將各時刻的正弦值（以ASCII字符表示）寫進MIF文件（初始化文件）中，從而存儲在RAM或ROM塊中。在定時器觸發(fā)后生成該時的地址，通過查詢該RAM或ROM塊就可輸出該時得正弦值。
5 芯片的具體實現(xiàn)
本系統(tǒng)的FPGA采用Altera公司的Flex10k系列芯片。芯片利用開發(fā)軟件Max＋plusII將各個模塊（圖1虛線框部分）用VHDL語言描述并輸入，由軟件自動編譯、綜合、布局和布線，生成編程用的數(shù)據(jù)文件，加載到FPGA的配置存儲單元。對FPGA芯片進行配置可有多種模式，由于本系統(tǒng)中有單片機，所以采用串行從模式，省掉了用一片EPROM來存儲編程數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)上電時，單片機自動將存在其內(nèi)部的配置數(shù)據(jù)送到FPGA內(nèi)部存儲單元中。
6 結(jié)束語
系統(tǒng)通過引進現(xiàn)場可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA，來實現(xiàn)波形發(fā)生器這一模塊，且將周圍其他數(shù)字邏輯電路也集成至該芯片中。這樣既可以解決了系統(tǒng)的特殊性，又增強系統(tǒng)抗干擾性，提高控制精度，也簡化了調(diào)試。此外，本系統(tǒng)還將波形發(fā)生器、濾波器等硬件通過VHDL語言在FPGA芯片中實現(xiàn)，而將控制算法等軟件用FPGA這一硬件來實現(xiàn)，使系統(tǒng)體現(xiàn)出“硬件軟化，軟件硬化”這一重要特點。
參考文獻
1 Altera公司．The Programmable Logic Data Book．2000
2 Jesse H．Jenkins．Designing with FPGA and CPLD．1995
3 張明勛．電力電子設備設計和應用手冊．北京：機械工業(yè)出版社，1990．6
4 天水紅山試驗機廠．PLG－10型高頻疲勞試驗機技術(shù)講座．1980．1
