基于FPGA的激光轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)

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1、基于FPGA的激光轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng) 基于FPGA的激光轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng) 2014/08/14 《電子設(shè)計工程雜志》2014年第十一期 1硬件系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)功能要求，硬件系統(tǒng)包括以下幾個模塊：FPGA及配置電路模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、編碼器信號采集模塊、RS422通信模塊以及電源模塊。 1.1FPGA及配置電路模塊本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA作為控制芯片，其作用至關(guān)重要。首先，要給A3977提供控制信號用以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作；其次，采集絕對值編碼器CMV22的角度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)閉環(huán)控制；最后，負(fù)

2、責(zé)和上位機(jī)通信，執(zhí)行上位機(jī)的控制命令，并反饋轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行狀態(tài)。FPGA選用APA600，APA600是ACTEL公司基于Flash工藝的FPGA器件，此系列的FPGA為ACTEL公司的第二代產(chǎn)品，憑借其宇航級品質(zhì)，此系列FPGA一直應(yīng)用在我國軍工、航天領(lǐng)域，并發(fā)揮重大作用，系統(tǒng)門數(shù)為60萬門，具有126K的內(nèi)嵌RAM，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。FPGA需要I/O電源3.3V和內(nèi)核電源1.5V，均由電源模塊提供。此外，本系統(tǒng)選用頻率為16MHz的外部有源晶振，為FPGA提供時鐘，MAX706提供硬件復(fù)位信號。 1.2電機(jī)驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)臺的3個方向均采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)[3]，采用28V的電壓，用F

3、PGA通過Allegro公司的A3977驅(qū)動控制電機(jī)工作。A3977是一種用于雙極型步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動集成電路，其內(nèi)部集成了步進(jìn)和直接譯碼接口、正反轉(zhuǎn)控制電路、雙H橋驅(qū)動，電流輸出2.5A，最大輸出功率可接近90W。由于采用了內(nèi)置譯碼器技術(shù)，A3977可以很容易的使用最少的控制線對步進(jìn)電機(jī)實施微步進(jìn)控制[4-5]。由FPGA提供的步進(jìn)控制信號有步進(jìn)輸入(STEP)、步進(jìn)模式邏輯輸入(MS1,MS2)以及方向控制信號(DIR)以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使能控制信號(EN)，如圖4所示。圖中A+、A-和B+、B-分別接至步進(jìn)電機(jī)的兩路線圈中，通過電流按一定規(guī)律變化，就會使電機(jī)做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。在工作時，EN

4、管腳處于低電平時有效，此時當(dāng)STEP輸入的上升沿到來后，內(nèi)置譯碼器將根據(jù)步進(jìn)邏輯的輸入值(步進(jìn)模式見表1)控制H橋的輸出，使電機(jī)在當(dāng)前步進(jìn)模式下產(chǎn)生1次步進(jìn)。 1.3編碼器信號采集模塊本系統(tǒng)中，對于角度的精確度具有極高的要求，我們采用德國TR的多圈絕對值編碼器CMV22讀取角度信號，絕對編碼器具有斷電記憶的功能，此編碼器單圈分辨率4096，即最小分辨率約為0.0879，最多可以讀取256圈，再加上轉(zhuǎn)臺三個方向減速器機(jī)構(gòu)傳動比（俯仰傳動比最小1:90，水平轉(zhuǎn)臺傳動比1:180，角位轉(zhuǎn)臺傳動比1:352），那么換算過來俯仰、水平、角位的最小分辨率分別為0.000977、0.000488和0.00

5、0250。絕對值編碼器輸出的脈沖信號采用同步串行接口(SynchronousSerialInterface，簡稱SSI接口)，SSI接口是高精度絕對值角度編碼器中一種較常用的接口方式，基于RS422的通信技術(shù)，包含一對時鐘信號及一對數(shù)據(jù)輸出信號，采用主機(jī)主動式讀出方式，即在主控者發(fā)出的時鐘脈沖的控制下，從最高有效位(MSB)開始同步傳輸，如圖5所示。 1.4RS422通信模塊和電源模塊RS422通信模塊采用TEXASINSTRUMENTS公司生產(chǎn)的DS26LV31AT和DS26LV32AT，分別把FPGA發(fā)送、接收信號轉(zhuǎn)化成差分信號，通過TXEN和RXEN可以對發(fā)送接收使能控制，再將RS42

6、2通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為RS232協(xié)議與上位機(jī)通信。所需的時鐘、使能和輸出使能信號均由FPGA提供。系統(tǒng)電源部分，主要包括28V、3.3V和1.5V。其中28V為系統(tǒng)直流輸入電源，為外部的電機(jī)和編碼器供電；3.3V通過DC/DC轉(zhuǎn)化得到，為FPGA供電，并與28V電源完全隔離；1.5V由3.3V通過三端穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生，為FPGA內(nèi)核供電。為了防止前端大功率電路影響到后端的控制和信號傳輸部分，將28V電源隔離與后端隔離，28V采用一次地，3.3V和1.5V共用二次地，電路如圖7所示。 2FPGA邏輯設(shè)計 本系統(tǒng)的FPGA程序使用硬件描述語言VerilogHDL編寫，F(xiàn)PGA程序工作流程圖如下圖所示。轉(zhuǎn)

7、臺的3個方向依次運(yùn)動到設(shè)定的位置，當(dāng)達(dá)到指定位置時電機(jī)停止，然后轉(zhuǎn)動下一個方向的電機(jī)直到轉(zhuǎn)臺的3個方向設(shè)定完畢，然后就可控制發(fā)射激光打向預(yù)定的位置。當(dāng)監(jiān)控實驗結(jié)束后，轉(zhuǎn)臺用相同的方法，回轉(zhuǎn)到初始位置。FPGA的功能模塊主要包括422串行通信和電機(jī)閉環(huán)控制。 2.1422串行通信RS422負(fù)責(zé)與上層工控機(jī)通信，接收上位機(jī)的控制指令，發(fā)送轉(zhuǎn)臺的狀態(tài)參數(shù)、工程參數(shù)，實現(xiàn)信息互通。RS422異步串行接口的波特率為115.2kbps，其頻率由系統(tǒng)時鐘16.384MHz經(jīng)過計數(shù)器分頻得到，數(shù)據(jù)幀格式由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗位（奇校驗）和1位停止位構(gòu)成。串行通信模塊可分為發(fā)送子模塊和接收子模塊，

8、均由狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。發(fā)送子模塊，F(xiàn)PGA按照軟件配置的數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔，將內(nèi)部寄存器按地址順序依次組包發(fā)送；接收子模塊，首先對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行3取2處理，處理后的串行數(shù)據(jù)按照RS422鏈路層協(xié)議進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，解析出有效數(shù)據(jù)的同時完成數(shù)據(jù)的奇校驗，并寫入寄存器接口模塊。如果校驗結(jié)果不正確，則錯計數(shù)寄存器計數(shù)，進(jìn)行錯誤統(tǒng)計。 2.2電機(jī)閉環(huán)控制該模塊負(fù)責(zé)對3臺電機(jī)的分時控制，根據(jù)配置的參數(shù)選擇對應(yīng)電機(jī)工作，產(chǎn)生控制電機(jī)運(yùn)行的驅(qū)動信號，控制電機(jī)以一定速度運(yùn)轉(zhuǎn)至預(yù)定位置。為了保證轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的功率不至于太高，控制的3臺電機(jī)使能信號互斥，通過使能信號依次選擇啟動某一個電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)束一次運(yùn)行過程后，再切換至下一

9、個電機(jī)。通用驅(qū)動控制FPGA根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的角度預(yù)先配置電機(jī)閉環(huán)行程設(shè)置寄存器，電機(jī)開始運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)閉環(huán)行程輸出寄存器與閉環(huán)行程設(shè)置寄存器一致時，則表示本次設(shè)置的轉(zhuǎn)動結(jié)束，反饋電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位。 3實驗結(jié)果 本系統(tǒng)硬件原理圖和PCB均采用Cadence軟件繪制，F(xiàn)PGA開發(fā)環(huán)境為Libero，綜合工具為SynplifyPro，仿真工具采用ModelSim。制板、程序調(diào)通后，并配合相應(yīng)的上位機(jī)及通過網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)端控制機(jī)，測試轉(zhuǎn)臺精度是否滿足設(shè)計要求。將激光打到距離激光發(fā)射器3m遠(yuǎn)處的墻上，通過設(shè)定轉(zhuǎn)臺3個坐標(biāo)值，并用坐標(biāo)紙做標(biāo)記，轉(zhuǎn)臺歸零重啟后，重新打到預(yù)先標(biāo)記的點(diǎn)，定位點(diǎn)基本重合，誤差在

10、0.5mm以內(nèi)，對于3m的距離，也就是4結(jié)論 文中設(shè)計了一種基于FPGA和A3977的精密激光轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，能夠很好地滿足高海拔宇宙線觀測站的惡劣環(huán)境，具有非常高的轉(zhuǎn)臺定位精度，為觀測站多個探測器監(jiān)控大氣狀況實驗時，提供了非?？煽?、重復(fù)性誤差極小的穩(wěn)定光源，為大氣監(jiān)控提供保障，從而大大提高了宇宙射線信息重建的準(zhǔn)確性。 作者：葉蔚然孫志斌耿寶明單位：中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心中國科學(xué)院大學(xué) 上一個文章： 機(jī)電設(shè)備備件需求預(yù)測下一個文章： HDLC協(xié)議IP核的設(shè)計