[发明专利]一种基于Verilog HDL的FPGA超高速工业控制系统

摘要

一种基于Verilog HDL的FPGA超高速工业控制系统，包括：DA上层控制模块，第一AD底层驱动模块，第二AD底层驱动模块，AD上层控制模块，DA底层驱动模块，异步串行通信发送接口，异步串行通信接收接口，控制器通信命令字接收控制模块，控制器信息发送控制模块，开关量输出DO逻辑控制模块，PID算法模块，PLL锁相环模块，正弦数值Rom存储器，第一AD转换值模块Ram，第二AD转换值模块Ram，模拟量DA实际输出值模块Ram，模拟量闭环PID控制参数模块Ram，模拟量输出DA手动设定值模块Ram，模拟量AI给定值模块Ram，波形参数模块Ram。本发明控制周期Ts可以根据需求设置得非常小，可用于超高速控制应用中。

主权项

一种基于Verilog HDL的FPGA超高速工业控制系统，其特征在于，包括：DA上层控制模块（1），用于在一个控制周期Ts中，根据控制器通信命令字接收控制模块（8）输出的模拟量DA输出模式选择位AUTO_HAND_DA[31:0]数据按下述五种方式中的一种方式进行DA数值的计算，并调用DA底层驱动模块（5）完成8路模拟量输出的电压输出刷新，并存入模拟量DA实际输出值模块Ram（16），所述的五种方式为：第一种方式，按照从模拟量输出DA手动设定值模块Ram（18）读出的数值手动设置DA值并进行输出；第二种方式，按照从波形参数模块Ram（20）读出的周期相对值、峰值、谷值自动输出方波；第三种方式，按照从波形参数模块Ram（20）读出的周期相对值、峰值、谷值自动输出三角波；第四种方式，按照从波形参数模块Ram（20）读出的周期相对值、峰值、谷值，并按照从正弦数值Rom存储器（13）读出的数值自动输出正弦波；第五种方式，按照从模拟量AI给定值模块Ram（19）读出的与8路模拟量输出的每一路AO通道相对应的模拟量输入AI的闭环给定值，和从模拟量闭环PID控制参数模块Ram（17）读出的相应的闭环PID控制参数，调用用于实现增量式PID算法的PID算法模块（11），进行单闭环或双闭环的PID自动调节，计算DA数值并进行输出；AD上层控制模块（4），用于调用第一AD底层驱动模块（2）和第二AD底层驱动模块（3）完成全部16路模拟量输入信号的轮询AD采样转换，并将转换结果存入第一AD转换值模块Ram（14）和第二AD转换值模块Ram（15），向DA上层控制模块（1）提供整个系统的控制周期同步信号Ts；第一AD底层驱动模块（2），用于接收AD上层控制模块（4）发送的16位并行控制字，转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的第一片12位8通道A/D转换器电路，控制该电路进行AD转换，并将转换结果的数据并行输出到AD上层控制模块（4）；第二AD底层驱动模块（3），用于接收AD上层控制模块（4）发送的16位并行控制字，转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的第二片12位8通道A/D转换器电路，控制该电路进行AD转换，并将转换结果的数据并行输出到AD上层控制模块（4）；DA底层驱动模块（5），用于将DA上层控制模块（1）发来的32位并行控制字转换成SPI串行接口时序，写入基于FPGA的超高速工业控制器中的14位8通道D/A转换器电路。异步串行通信接收接口（7），用于接收基于FPGA的超高速工业控制器中的通信数字隔离电路111输入的信号，并写入内部的异步串行通信接收FIFO模块中，供控制器通信命令字接收控制模块（8）读取。控制器通信命令字接收控制模块（8），用于从异步串行通信接收接口（7）读出数据， 每读出上位机发送的10字节命令字后都进行校验和计算，根据设定的控制器通信命令字接收解析表，由收到的第一个字节即功能码数值解析出上位机命令字的含义，从而进行相应的命令解析与参数设置。开关量输出DO逻辑控制模块（10），用于读入16路开关量输入状态信号，并根据控制器通信命令字接收控制模块（8）设定的模式输出8路开关量输出状态信号。控制器信息发送控制模块（9），分别：从开关量输出DO逻辑控制模块（10）读取16路开关量输入状态和8路开关量输出状态的数值，从第一AD转换值模块Ram（14）读取16路模拟量输入通道12位AD转换值，从模拟量DA实际输出值模块Ram（16）读取8路模拟量输出通道14位DA数值，并将读取的数值按设定的顺序格式写入异步串行通信发送接口（6），并将这一发送过程循环往复进行。异步串行通信发送接口（6），利用内部的异步串行通信发送FIFO模块接收控制器信息发送控制模块（9）的写入信息，最终在输出口上完成异步串行通信数据帧的发送。PLL锁相环模块（12），用于接收基于FPGA的超高速工业控制器中的时钟输入与自动/手动复位电路单元的48MHz时钟输入，并为系统提供全局时钟信号。