龔瑞昆,王 蕊,孟凡偉

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063000)

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基于PCI總線的爐溫?cái)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龔瑞昆,王 蕊,孟凡偉

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063000)

爐溫控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在鋼鐵的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中。因此針對(duì)試驗(yàn)對(duì)爐溫的控制需求，設(shè)計(jì)了一種精度高、數(shù)據(jù)采集速度快、智能化的基于PCI總線的爐溫?cái)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用FPGA 數(shù)據(jù)處理快和 PCI 總線傳輸速率高的特點(diǎn)，通過相應(yīng)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理；將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)通過 PCI 總線接口高速上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理和控制；最后采用模糊PID控制算法對(duì)爐溫進(jìn)行了控制仿真測(cè)試，改善了現(xiàn)場(chǎng)儀表常規(guī)PID控制方式存在的振蕩現(xiàn)象，最終滿足控制精度要求。

PCI總線；FPGA；溫度控制；數(shù)據(jù)采集

0 引言

爐溫控制廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)，尤其是在鐵礦石的冶金性能測(cè)試過程中。傳統(tǒng)的爐溫測(cè)定系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)儀表為控制器，其特點(diǎn)是采集的信號(hào)通道數(shù)單一、無(wú)法并行采集多通道信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸速率較低，不能滿足高速、實(shí)時(shí)、多通道并行檢測(cè)的需求。并且在設(shè)計(jì)硬件電路過程中比較復(fù)雜、測(cè)試?yán)щy且成本較高，難以滿足設(shè)計(jì)需求。

基于PCI總線的爐溫?cái)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)以FPGA 作為邏輯控制的核心，利用PCI總線數(shù)據(jù)采集技術(shù)[1]，為用戶構(gòu)建了一種快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。使用者可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)爐溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要以計(jì)算機(jī)為控制核心，外圍電路主要有電源模塊、PCI高速數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、串口通信電路和控制加熱電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)通過溫度調(diào)理轉(zhuǎn)換模塊將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值傳送給PCI數(shù)據(jù)采集模塊，并將其傳輸給計(jì)算機(jī)控制器。主控計(jì)算機(jī)通過VC++編寫驅(qū)動(dòng)接口程序等控制指令來控制系統(tǒng)控制過程，控制過程中采用模糊PID算法，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊送給周波控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)繼電器的切換控制，進(jìn)而對(duì)試樣進(jìn)行合理的加熱，實(shí)現(xiàn)爐溫的閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括爐溫控制電路計(jì)和PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.1 爐溫控制電路

在工業(yè)加熱領(lǐng)域中，一般采用可控硅(SCR)移相調(diào)壓方式改變加熱主回路的電壓，但這種方式的電壓輸出波形不是正弦波，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。因而圖2中采用固態(tài)繼電器(SSR)與周波控制器結(jié)合的控溫方式。周波控制器接受控制器輸出的0～5V電壓信號(hào)作為輸入，輸出PWM波調(diào)整一系列脈沖的寬度來獲得所需要的波形，進(jìn)而通過可控硅控制加熱主回路電路的導(dǎo)通，從而改變硅碳棒上的平均功率，實(shí)現(xiàn)控溫的目的。

圖2 爐溫控制硬件連接圖

2.2 PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)調(diào)理電路、FPGA控制電路、AD/DA轉(zhuǎn)換模塊和PCI接口電路[2]。硬件電路如圖3所示。

圖3 PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

FPGA作為采集模塊的核心部件,附有多個(gè)功能部件,主要由信號(hào)接受發(fā)送單元、PCI接口模塊和數(shù)據(jù)緩沖模塊[2]。除了FPGA芯片之外,還有A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、配置FPGA用的EPCSI芯片以及用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的SDRM、PCI9054接口芯片、配置芯片EEPROM。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路

熱電偶溫度傳感器輸出的mV級(jí)熱電勢(shì)信號(hào)必須在經(jīng)過放大、冷端補(bǔ)償、線性化處理后將其轉(zhuǎn)換到A/D芯片變化范圍內(nèi)才能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[4]。熱電偶信號(hào)調(diào)理采用AD595，它帶有冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紝Ｓ梅糯笃?，同時(shí)具有數(shù)據(jù)信號(hào)放大及線性化的功能，低阻抗電壓輸出，且為10 mV/℃。芯片采用+5 V供電，如圖4所示。K型熱電偶采集溫度，輸出mV級(jí)熱電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)AD595[5]線性化并放大后在其引腳9輸出0～3V的電壓信號(hào)，且成10 mV/℃的線性比例關(guān)系，這一信號(hào)再送入ADS7825進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖4 信號(hào)調(diào)理硬件設(shè)計(jì)

2.2.2 FPGA和PCI接口控制模塊

本設(shè)計(jì)的FPGA采用Altera Cyclone系列，具有5 980個(gè)邏輯單元，內(nèi)嵌20個(gè)M4K RAM塊(128×36bit)，最大支持185個(gè)I/O接口管腳[4]。PCI9054芯片是32位的頻率為33 MHz的主I/O加速器，具有穩(wěn)定性強(qiáng)和兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用程度和驅(qū)動(dòng)程序的整體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行 PCI 總線與上位控制機(jī)傳輸控制命令和數(shù)據(jù)之前，需要開發(fā)基于 Windows操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序交互的中心環(huán)節(jié)，其中驅(qū)動(dòng)程序是硬件設(shè)備與上層用戶應(yīng)用程序溝通的中心橋梁，而應(yīng)用程序是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要有兩方面的任務(wù)[5]。首先，用于設(shè)計(jì)PCI9054的DMA傳輸模式下的數(shù)據(jù)讀寫操作環(huán)節(jié)；其次，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道信號(hào)采集的控制以及采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的檢測(cè)控制功能。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是由許多操作系統(tǒng)可調(diào)用例程構(gòu)成的，基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信交換，就必須通過編寫驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用界面來完成，編寫驅(qū)動(dòng)程序的常用開發(fā)工具有幾種，而PLX 公司為了方便用戶的開發(fā)提供了相應(yīng)的開發(fā)工具包，為設(shè)計(jì)人員提供了與系統(tǒng)相兼容的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和 API 函數(shù)庫(kù)，用戶可以借助Visual C++ 6.0輔助開發(fā)環(huán)境在應(yīng)用程序中調(diào)用 API函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)功能。 驅(qū)動(dòng)程序的總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)程序的總體設(shè)計(jì)

硬件連接成功后，安裝運(yùn)行SDK軟件開發(fā)包以及驅(qū)動(dòng)程序PLX9054.sys。驅(qū)動(dòng)層直接利用PCI SDK 軟件提供的驅(qū)動(dòng)源代碼,用戶層應(yīng)用程序在基于對(duì)話框的Visual C++6.0 環(huán)境下開發(fā)，通過創(chuàng)建工程進(jìn)而加載相應(yīng)的頭文件和源文件實(shí)現(xiàn)[6]。

3.2 FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI9054芯片的邏輯控制

PCI接口的邏輯控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集過程的控制，主要包含對(duì)I/O讀寫操作控制、PCI 接口讀數(shù)控制、緩存的切換控制、時(shí)鐘控制以及32位加法器時(shí)序控制等[7]。除此之外，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過PCI 接口芯片實(shí)時(shí)快速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中[6]。它的設(shè)計(jì)采用 VHDL 硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行并編寫測(cè)試代碼。上電后，此信號(hào)源連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小為7 168比特，包括32比特的包頭以及7 136比特的包體。系統(tǒng)通過采樣任務(wù)對(duì)爐體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，形成“采樣數(shù)據(jù)包”供給算法任務(wù)和應(yīng)用程序調(diào)用，也可通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和控制。

3.3 PCI溫度數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

驅(qū)動(dòng)程序的功能模塊包括：數(shù)據(jù)地址空間的初始化、緩存讀寫模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和中斷模塊以及數(shù)據(jù)算法處理模塊等。驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。應(yīng)用程序開始調(diào)用API函數(shù)后[8]，開始進(jìn)行模塊初始化，通過初始化進(jìn)行空間配置，然后根據(jù)PCI數(shù)據(jù)傳輸模式選擇內(nèi)存的讀寫模式或者外部A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀寫模式，接下來調(diào)用中斷模塊，處理相應(yīng)的中斷任務(wù)。接著主控計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊將控制量發(fā)送至終端，最后輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爐溫控制。

圖6 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖

采集信號(hào)窗口設(shè)計(jì)如圖7所示。基于對(duì)話框MFC的部分程序如下：

class CNO_FPGA_DAQApp:public CWinApp

{

public:

CNO_FPGA_DAQApp();

DECLARE_MESSAGE_MAP()

};

void CNO_FPGA_DAQDlg::OnStartSave()

{

GetDlgItem(IDC_Start_Save)->EnableWindow(FALSE);

b_write = 1;

m_status.Format(“開始保存”);

}

void CNO_SDRAM_DAQDlg::OnStopSave()

{

GetDlgItem(IDC_Stop_Save)->EnableWindow(FALSE);

b_write = 0;

if(FIFODATA)

FIFODATA.Close();

m_status.Format(“停止保存”);

}

圖7 信號(hào)采集窗口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制溫度的變化，然后通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)軟件由Visual C++6.0編寫，通過編寫相應(yīng)算法程序?qū)ΤＲ?guī)PID和模糊PID對(duì)爐溫進(jìn)行控制，從第三路溫度控制為例，其界面控制響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 溫度控制仿真圖

由圖8可以看出，相對(duì)于常規(guī)PID，模糊PID算法溫度響應(yīng)曲線上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都相對(duì)較短，超調(diào)較小，滿足溫度控制的要求。

4 結(jié)論

為了克服傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備信號(hào)通道單一、數(shù)據(jù)傳輸速率慢、檢測(cè)信息實(shí)時(shí)性差等不足，滿足多通道并行測(cè)試、高速傳輸與實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)的需求，采用集 PCI 總線與 FPGA 技術(shù)于一體的的多通道信號(hào)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)并行、實(shí)時(shí)、快速數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而使控制過程具有更高的控制精度和更好的動(dòng)態(tài)性能。

[1] 何朝陽(yáng),高金萍.基于PCI總線的高速高精度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2003(5)：371-374.

[2] 賈良真.基于FPGA的下肢磯電位號(hào)數(shù)據(jù)采集與傳輸研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 王曉林.集散控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[4] 儲(chǔ)成君,任勇峰,劉東海,等.基于FPGA的多通道信號(hào)采集電路設(shè)計(jì).科學(xué)技術(shù)與工程,2013(19):120-123.

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[6] 陳玨利,曾成志,鄭海榮,等.基于ADS6122和FPGA的多通道信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電子器件,2012(4):12-14.

[7] 田壯.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].太原:中北大學(xué),2013.

[8] 熊松.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)：[學(xué)位論文].南京:東南大學(xué),2006.

Design of Temperature Data Acquisition Control System Based on PCI Bus

GONG Rui-kun,WANG Rui,MENG Fan-wei

(College of Electrical Engineering,North China University of Technology,Tangshan 063000,China)

Furnace temperature control is widely used in industrial production,especially in the experimental test of steel.Therefore,according with the need of test for furnace temperature control,a high precision,intelligent temperature data acquisition control system based on PCI bus was designed.The system made use of the fast data processing FPGA and PCI bus,through the corresponding algorithm for data to analysis and process，the corresponding data signal was detected through the PCI bus high-speed transmission to master computer for processing and control.At last fuzzy PID control algorithm simulation experiment was performed to the furnace temperature,which improved the conventional PID control oscillation phenomena existing in the field instruments,ultimately meeting the requirements of accuracy.

PCI bus;FPGA;temperature control;data collection

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(61171058)

2015-03-10 收修改稿日期：2015-07-16

TP273

A

1002-1841(2015)12-0053-04

龔瑞昆(1962—)，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)及智能裝置。E-mail:grk@heut.edu.cn

王蕊(1989—)，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)及智能裝置方向的研究。E-mail:906546525@qq.com