基于FPGA的嵌入式计量系统的研究与设计

论文摘要

据调查,我国定量包装商品的需求量很大,单冶金企业每年新增和更换的各类工业计量装置就达约5000台,而其他工业及商业部门也都需要装备数量很大的电子计量装置。面对国内巨大的需求,我国自动定量计量控制仪表技术相对落后的现状急需改变。一般情况下,若想提高系统计量速度,就会影响计量精确度,若想确保计量准确度,就要适当降低计量速度,二者相互影响,相互制约。如何同时提高计量精度和计量速度,一直是工厂企业和研究领域亟需解决的难题之一。在这样的背景下,本文针对粉末状产品计量系统展开深入研究,设计了一种基于FPGA的双处理器动态计量系统。本系统由双处理器分担不同的控制环节,在同一块芯片上工作,与目前广泛使用的单处理器结构的产品相比,在成本显著降低的同时,具有更高的处理能力。为进一步提高系统运行速度,提出了使用硬件手段进行双处理器共享资源访问并在文中给出具体实现方法。使用Verilog语言设计了FM24读写IP软核,实现外部存储器的高速读写,经过功能验证后集成入本系统中。通过对复合采样滤波算法和落差值补偿方法的仔细研究,本文提出根据第一次计量的偏差和物料流量对切换系数进行实时修正的反馈控制方法。它既改进了复合采样滤波算法不能很好的处理外界干扰的不足,又弥补了落差值补偿方法不具备在线处理能力的缺陷,提高了系统的计量精度。最后,本文为系统搭建了实验平台,选用Altera公司的CycloneⅡEP2C8作为主芯片,两个NiosⅡ软核作为处理器,实现了粉末状物料的高精度实时计量,取得了较好的效果,为今后进一步的研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 相关研究和应用现状
• 1.2.1 国内外计量系统研究现状
• 1.2.2 国内外计量系统应用现状
• 1.2.3 计量系统发展趋势
• 1.3 本论文研究的主要工作
• 1.4 论文组织
• 第2章 对嵌入式计量系统相关技术的研究
• 2.1 计量系统中的嵌入式技术
• 2.1.1 硬件系统
• 2.1.2 软件系统
• 2.1.3 嵌入式技术在计量行业的应用
• 2.2 动态计量技术
• 2.2.1 动态计量系统
• 2.2.2 动态计量信号处理
• 2.2.3 动态计量的关键问题
• 2.3 本章小结
• 第3章 对给料装置的反馈控制方案设计
• 3.1 控制方法研究
• 3.2 控制对象分析
• 3.3 控制策略
• 3.4 反馈控制方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 双处理器结构与IP软核设计
• 4.1 双处理器系统结构
• 4.1.1 单处理器结构
• 4.1.2 双处理器结构设计
• 4.2 双处理器共享资源访问问题的解决
• 4.2.1 共享存储器的添加
• 4.2.2 硬件互斥访问的实现
• 4.3 数据采集系统
• 4.4 FM24读写IP软核的设计
• 4.4.1 FM24的结构
• 4.4.2 FM24读写IP软核的实现
• 4.4.3 FM24读写IP软核功能仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验及结果分析
• 5.1 系统实验平台搭建
• 5.1.1 实验平台硬件设计
• 5.1.2 实验平台基本结构
• 5.1.3 实验平台详细设计
• 5.2 系统的配置
• 5.2.1 系统编译下载至实验平台
• 5.2.2 系统资源使用情况分析
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢