基于SOPC技术的动态定量称重控制系统设计

论文摘要

在化工、水泥、粮食、饲料等行业的生产过程中,都需要对产品进行定量包装。现在的定量秤重控制系统设计通常采用单片机作为控制核心,但是单片机的处理能力低,不能很好的满足设计要求;后来出现采用DSP作为控制核心,虽然DSP的处理能力能够满足要求,但由于这种传统的设计,实现的定量秤重控制系统结构和功能固定,缺乏一定的灵活性。另一方面,现在的物料称重控制一般采用空中量补偿法,落差值用于补偿由于外界干扰及机械惯性等因素造成的偏差,使得实际给料满足精度要求。但是由于调整落差值是在当次给料结束后,给料进程是不可逆的,对下次给料仅是一个待修正的值,难以提高精度。本课题的目的是采用Altera公司的SOPC解决方案,研制一台针对粉末状产品的定量称重控制器,它基于Nios II双核结构,其中一个Nios II处理器专门负责高速的数据采集及处理,另外一个Nios II处理器完成与上位机通讯功能。运用可靠性高、稳定性好、应用灵活并可以对频率很低的信号实现滤波的FIR数字滤波算法过滤数据采集过来的信号。利用Quartus II自定义外设和Avalon总线多主并行处理的特点,采用Verilog HDL语言实现LCD控制器和FIR滤波,使得电路最小化,降低了外界干扰。然后,本文对动态称重定量下料过程进行了较为深入的研究,建立了下料过程动态称量的数学模型。在动态称量过程分析研究的基础上,提出了预测控制的方法,从而有效的提高了称量精度。相对于传统的嵌入式系统解决方案而言,本课题所采用的SOPC系统解决方案缩短了开发周期、减少了器件数目、提高了系统的性能。使系统易实现、易升级、易移植、具有较强的适应性和可扩展性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 片上系统综述
• 1.2.1 片上系统技术的产生背景
• 1.2.2 片上系统的特征及其分类
• 1.2.3 片上系统的发展趋势
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 定量称重控制器的国内外研究现状
• 1.5 课题研究的主要内容
• 1.5.1 本论文的课题来源
• 1.5.2 本文的主要研究内容
• 第2章 定量称重控制器的结构与基本原理
• 2.1 定量称重控制器的结构
• 2.2 定量称重控制器的工作原理
• 2.2.1 工作原理
• 2.2.2 完成的功能
• 2.2.3 变频控制的原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 定量称重控制器控制系统的总体设计
• 3.1 Nios II 处理器
• 3.2 定量称重控制器硬件系统设计
• 3.2.1 硬件系统的开发环境
• 3.2.2 硬件系统的设计流程
• 3.2.3 硬件系统的总体设计
• 3.3 定量称重控制器软件系统设计
• 3.3.1 软件系统的开发环境
• 3.3.2 软件系统的设计流程
• 3.3.3 软件系统的总体设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 定量称重控制器控制系统的实现
• 4.1 定量秤重控制器开发平台
• 4.2 实现定量秤重控制器系统的流程
• 4.3 定量称重控制器硬件系统的实现
• 4.3.1 外设控制器的实现
• 4.3.2 数据采集的实现
• 4.3.3 双Nios II 核通信实现
• 4.3.4 FIR 数字滤波的FPGA 实现
• 4.3.5 构建硬件系统
• 4.3.6 编译硬件系统
• 4.3.7 固化硬件系统
• 4.4 动态定量秤重控制器软件系统的实现
• 4.4.1 软件系统的处理程序
• 4.4.2 上位机控制软件设计
• 4.5 预测控制算法的实现
• 4.5.1 被控对象数学模型
• 4.5.2 预测控制策略的实现
• 4.6 本章小结
• 第5章 测试实验与分析
• 5.1 实验装置
• 5.2 稳定性实验
• 5.3 现场测试
• 5.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢