基于FPGA控制的懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

引 言
在現(xiàn)代的工業(yè)控制、車輛運(yùn)動和醫(yī)療設(shè)備等系統(tǒng)中，懸掛運(yùn)動系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運(yùn)動部件通常是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因而懸掛部件的運(yùn)動精確性是整個系統(tǒng)工作效能的決定因素，而在實際中實現(xiàn)懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)的精確控制是非常困難的?？扛淖儜覓毂豢貙ο蟮睦K索長短來控制被控對象運(yùn)動軌跡的懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)控制等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用范圍，但受技術(shù)上的制約，使用也有一定限制。傳統(tǒng)的懸掛控制系統(tǒng)設(shè)計是采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，通過軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，但由于其芯片資源有限，運(yùn)算速率慢和易受干擾等因素，因而在較大系統(tǒng)的開發(fā)上受到限制。FPGA可實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，運(yùn)算速度快，還可進(jìn)行軟件仿真和調(diào)試，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。本文采用Verilog FPGA設(shè)計懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制器，通過輸入模塊傳送控制參數(shù)，采用HDL語言編程實現(xiàn)的控制算法，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，對懸掛運(yùn)動物體進(jìn)行精確的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
本設(shè)計具體設(shè)計目標(biāo)為控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定物體坐標(biāo)點參數(shù)，且物體在80 cm×100 cm的范圍內(nèi)做自行設(shè)定的運(yùn)動，運(yùn)動軌跡既有曲線(圓)，也有直線(任意兩點和定點)，物體在運(yùn)動時能夠在板上畫出運(yùn)動軌跡，限制在一定的時間內(nèi)完成。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，需要實現(xiàn)勾畫設(shè)定軌跡和對設(shè)定軌跡的搜尋功能，并能實時地顯示物體中畫筆所在位置坐標(biāo)。其系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

控制模塊是整個系統(tǒng)的核心，鍵盤輸入模塊產(chǎn)生按鍵信號，按鍵信號送人FPGA對物體進(jìn)行設(shè)置校正以及軌跡參數(shù)設(shè)定，F(xiàn)PGA對送來的信號進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理，將控制信號輸送到電機(jī)驅(qū)動模塊，控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使物體的運(yùn)動軌跡得以控制，同時由顯示模塊顯示物體中畫筆的坐標(biāo)。

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 控制模塊
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中，控制模塊是系統(tǒng)設(shè)計的核心，由FPGA實現(xiàn)。此模塊是通過HDL硬件描述語言，在智能型可編程邏輯器件開發(fā)試驗系統(tǒng)KH- 310的硬件平臺來控制設(shè)計的，利用FPGA芯片可實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制功能。功能包括：步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、定位功能及調(diào)速等功能。FPGA由輸入的數(shù)據(jù)來計算物體要移動的距離，直接發(fā)出控制脈沖控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制物體的運(yùn)動方向。由于少了反饋電路，系統(tǒng)的精度只與FPGA采用的算法準(zhǔn)確性有關(guān)，此種方式電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低且易于調(diào)整和維護(hù)，是一種較理想的方式。

2．2 鍵盤模塊
鍵盤是實現(xiàn)人機(jī)交流的一種裝置。在本系統(tǒng)中，采用4×4矩陣式鍵盤共陽極接法。鍵盤上的每一個按鍵其實就是一個開關(guān)電路，當(dāng)某鍵被按下時，該按鍵的接點會呈現(xiàn)0的狀態(tài)設(shè)置鍵；反之，未被按下時則呈現(xiàn)邏輯1的狀態(tài)。鍵盤各鍵布局及功能介紹如圖3所示。