基于FPGA的真空差压铸造充型测试系统研究

论文摘要

近年来，国内外航空、航天、兵器等行业对大型、复杂、薄壁、精密、优质高强度铝合金铸件的需求量增加，差压铸造作为能满足上述生产需要的先进铸造成型工艺，日益受到铸造界的关注，在世界各国得到普遍应用。真空差压铸造薄壁铸件时，金属液在充型过程中易氧化的镁铝合金，在充型过程中的流动形态及所发生的物理和化学变化对铸件质量的影响更大。因此研究铸件充型过程的现代测试方法对防止铸件缺陷，获得优质薄壁铸件具有重要意义。本文采用FPGA和单片机技术结合的方法实现真空差压铸造中铸件充型测试的数据采集与处理。将FPGA和单片机技术结合起来实现真空差压铸造中铸件充型测试的数据采集与处理，解决了以往采用51单片机进行充型测试数据处理能力弱，速度慢以及实时性不强的问题，且相对采用专业设备进行测试费用更低廉。本设计充分发挥了FPGA和单片机结构灵活，通用性好，利于模块化设计，缩短开发周期，系统易于维护和扩展的优点。本文首先简要介绍了真空差压铸造工艺原理和设计中所采用的铸件充型测试方法——多触点电极法。其次根据实际要求，提出了基于“FPGA+单片机体系结构”的集成化设计方案：以FPGA为数据采集核心模块负责同时并行采集64路充型测试开关量导通时间和控制外围AD7862实时采集充型过程中上下铸造气罐的2路压力值；单片机以总线方式与FPGA进行通讯，通过异步串口通信完成上位机PC指令的接收和实验采集数据的上传；上位机软件对采集数据进行存储及处理，并负责系统工作流程控制。重点分析了主要硬件模块的设计过程和软件方案的论证以及实现，在硬件设计方面详细地说明了系统中的电源电路、前端信号采集电路、FPGA信号处理电路、单片机接口电路，阐述了FPGA内部时序电路的设计；系统软件方面，详细说明了单片机程序工作流程及各子程序设计与实现，同时说明了以VC++6.0开发平台设计实现了串口通信、数据存储、曲线显示等功能。最后，对现阶段的工作进行总结并对系统进行测试，提出改进意见作为下一步研究参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 充型过程测试国内外研究现状
• 1.3 FPGA基本结构及技术
• 1.3.1 FPGA基本结构及特点
• 1.3.2 EDA 技术与硬件描述语言
• 1.4 课题主要工作及论文组织结构
• 第2章 测试原理分析与系统总体设计
• 2.1 测试原理分析
• 2.1.1 真空差压铸造工艺原理
• 2.1.2 铸件充型过程基本理论
• 2.1.3 充型过程测试基本原理
• 2.2 系统整体方案设计
• 2.2.1 系统功能需求分析
• 2.2.2 系统整体方案的设计
• 2.2.3 主要功能模块说明
• 2.3 本章小结
• 第3章 测试系统的硬件设计
• 3.1 系统电源电路
• 3.2 前端信号采集电路
• 3.2.1 上下铸罐压力采集部分
• 3.2.2 充型开关量采集部分
• 3.3 FPGA信号处理电路
• 3.3.1 FPGA最小系统电路设计
• 3.3.2 与单片机通讯电路设计
• 3.4 单片机接口电路
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统FPGA逻辑电路设计
• 4.1 FPGA的开发流程与开发工具
• 4.1.1 FPGA基本开发流程
• 4.1.2 系统开发工具 Quartus II
• 4.2 FPGA内部模块设计
• 4.2.1 A/D转换控制模块
• 4.2.2 A/D采样数据存储地址生成模块
• 4.2.3 A/D采样数据缓存模块
• 4.2.4 充型开关量检测及计时模块
• 4.2.5 数据读取存储模块
• 4.2.6 单片机接口逻辑模块
• 4.2.7 分频时钟模块
• 4.3 本章小结
• 第5章 测试系统软件设计
• 5.1 单片机程序
• 5.1.1 开发语言与开发平台选择
• 5.1.2 单片机主程序设计
• 5.1.3 读取数据处理
• 5.1.4 与上位机串口通信
• 5.2 上位机程序
• 5.2.1 开发语言与开发平台选择
• 5.2.2 软件功能组成
• 5.2.3 各功能模块设计及实现
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统调试与实验
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢