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基于FPGA+MCU的工程机械彩色监控器系统的设计与实现
作 者: 刘文
导 师: 胡俊达
学 校: 湘潭大学
专 业: 电气工程
关键词: FPGA 工程机械 监控器系统 模块
分类号: TP277
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 23次
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内容摘要
作为工程机械核心部分的工程机械控制器系统,一方面随着市场对产品需求不断提高,控制器系统的功能也在不断增强,系统在整体实现上对控制的精度、控制的灵活性等参数提出了更高的要求。而另一方面作为控制器的人机信息交互界面,要求完善界面友好度,提升显示彩色度、提高显示画面流畅度等。传统单纯的中型控制器系统在控制量、控制精准度及系统功率匹配等方面难以满足现状。经典控制理论在近年来不断创新,新的核心控制芯片的面市和新的控制方法的应用都取得了较好的控制效果,可以采用一种全新的控制方式来设计工程机械控制器系统。因此,本文设计实现了一种基于FPGA+MCU的工程机械监控器系统,该系统采用直流电源电压供电,具有接口方便、控制性能稳定可靠、控制精度高、显示界面流畅、分辨率高、存储容量大和功耗低等特点,能满足现阶段工程机械控制的需求。文中首先根据所在公司的客户需求,确定了系统总体设计要求与技术指标,提出了基于FPGA+MCU的工程机械监控器系统的总体方案。其次介绍了系统开发的平台及流程,文中主要介绍了系统的硬件电路设计及软件编程实现,提出了验证方法。系统中MCU主要负责远程通讯控制、发送指令控制FPGA运行及实现系统功率匹配算法;FPGA设计部分可以分为控制功能部分和显示功能部分两大块。控制功能部分主要包括脉宽调制信号处理电路、频率采集电路、数字开关量采集电路、MCP3208芯片驱动电路等;显示功能部分主要包括SRAM高速数据缓存电路、FLASH数据存储电路、USB数据传输控制电路、扫描显示电路及电源调理电路等。脉宽信号调制电路对脉宽信号进行调理,实现硬件电路的电气隔离及增加信号的驱动能力;频率采集电路对外部脉冲波形整形处理,滤去干扰信号;数字开关量采集电路实现电气隔离,保证采集数字开关量的准确;MCP3208芯片驱动电路完成对A/D转换芯片的控制;FLASH数据存储电路实现对图片数据的存储;SRAM数据缓存电路对高速显示的数据进行缓存;USB数据传输控制电路实现对数据传输;扫描显示电路驱动液晶屏显示;电源调理电路对整个系统进行电源管理。软件编程方面。采用VHDL硬件语言编写代码,实现了各控制功能子模块的底层驱动,完成了显示系列子模块的驱动,并依系统整体设计要求,对顶层模块进行了设计。最后对该系统进行整体调试。测试表明:该系统各功能正常,功能指标均达到了设计要求,硬件电路设计合理,软件总体构架可行,为该控制器系统的后续开发及市场推广应用提供了坚实的基础。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-9 第1章 绪论 9-14 1.1 课题背景 9-10 1.2 国内外工程机械控制器系统研究现状及发展趋势 10-12 1.3 课题来源及研究的主要内容 12-13 1.4 本文的组织结构 13-14 第2章 系统开发环境 14-21 2.1 FPGA 简介 14-18 2.1.1 FPGA 基本概念与发展历程 14-15 2.1.2 CycloneⅡ系列 FPGA 简介 15 2.1.3 FPGA 设计开发流程 15-18 2.2 MCU 选型及简介 18-19 2.3 系统开发工具与平台 19-20 2.3.1 QuartusⅡ开发平台 19 2.3.2 硬件描绘语言 19-20 2.4 本章小结 20-21 第3章 系统硬件总体设计 21-37 3.1 系统硬件总体设计框图 21-22 3.2 MCU 部分硬件设计 22-24 3.2.1 GPRS 通信电路设计 22-23 3.2.2 系统时间管理 23-24 3.3 FPGA 控制部分硬件总体框图 24-29 3.3.1 脉宽调制信号电路设计 25-26 3.3.2 频率采集电路设计 26-27 3.3.3 MCP3208 芯片驱动电路设计 27-28 3.3.4 其他模块硬件电路设计 28-29 3.4 FPGA 显示控制部分硬件总体框图 29-36 3.4.1 显示控制模块总体构架 29-30 3.4.2 SRAM 高速数据缓电路设计 30-32 3.4.3 FLASH 大容量数据存储单元电路设计 32-34 3.4.4 USB 数据下载单元电路设计 34-36 3.5 本章小结 36-37 第4章 系统软件算法实现 37-68 4.1 系统软件总体设计 37 4.2 系统功率匹配算法研究 37-46 4.2.1 发动机工作特性及功率匹配系统 37-38 4.2.2 功率调节的原理分析 38-40 4.2.3 常规 PID 控制 40-42 4.2.4 模糊自适应 PID 控制 42-44 4.2.5 常规 PID 系统和模糊自适应 PID 系统的控制比较 44-46 4.3 系统 FPGA 控制部分算法实现 46-56 4.3.1 频率采集模块 47-50 4.3.2 脉宽调制信号模块 50-51 4.3.3 SPI(主)控制模块 51-53 4.3.4 其他控制模块的实现 53-56 4.4 液晶显示控制算法实现 56-67 4.4.1 接口及控制模块的设计 57-58 4.4.2 SRAM 读写控制模块 58-59 4.4.3 FLASH 读写控制模块 59-63 4.4.4 USB 传输控制模块 63-65 4.4.5 LCD 时序扫描控制模块 65-67 4.5 本章小结 67-68 第5章 系统外围电路设计 68-71 5.1 电源调理电路 68 5.2 FPGA 配置电路 68-70 5.3 时钟晶振电路 70 5.4 TFT 液晶屏背光驱动电路 70 5.5 本章小结 70-71 第6章 系统联合调试及实验 71-76 第7章 总结与展望 76-78 参考文献 78-81 致谢 81-82 附录 82-86 个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果 86
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 监视、报警、故障诊断系统
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