一种基于CPLD的伺服信号检测技术

吕帅帅，盛　锴，高利娃，赵　婵

(1.中国飞机强度研究所 第八研究室，陕西 西安 710065；2.全尺寸飞机结构静力/疲劳实验室，陕西 西安 710065)

一种基于CPLD的伺服信号检测技术

吕帅帅1,2，盛锴1,2，高利娃1,2，赵婵1,2

(1.中国飞机强度研究所 第八研究室，陕西 西安 710065；2.全尺寸飞机结构静力/疲劳实验室，陕西 西安 710065)

摘要：针对传统的数字电路设计上的一些缺点，如研制周期长、成本较高、设计不太灵活、可扩展性不强等缺点，研发了一种采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)并通过VHDL硬件描述语言编程对伺服信号进行检测的技术。该项技术可以提高伺服电压测量的稳定性和精度，缩短在试验现场的测量时间，测量数据可通过LCD进行实时显示。

关键词：CPLD；伺服电压检测；VHDL；LCD显示

1引言

在飞机结构强度试验中，控制系统伺服阀输出的准确性是影响试验精度的一个重要因素。目前，对伺服阀输出电压进行检测的方法是将试验暂停后，在伺服阀输出端人工测量实际输出信号状态，但人工测试方法无法实现多点同步测量，无法实现在试验过程中同步监测实际电压漂移状态和实时告警功能。同时，操作过程对试验件持续施加载荷的时间过长，可能会造成试验件的损坏或是影响试验精度。

针对以上问题，设计了一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的伺服电压检测技术，与传统的数字电路设计方法相比，CPLD具有研制周期短、成本低、设计灵活、可扩展性强等特点。

2基本原理及总体设计

在检测伺服信号时，通常需要检测伺服电压信号是否正常。由于伺服信号输出的是电流信号，因而不能直观地检测伺服信号，所以，研制了一种能直观检测伺服电压信号的检测设备，以满足检测需求。

该项伺服电压检测技术主要是把伺服输出的电流信号通过测量信号采集模块变成电压信号，再通过信号处理模块进行判断处理，然后再把信号输入到显示/报警模块中进行显示，若超出正常值范围(≤±10V)，则报警。

该设备主要由主控板、电池组件、LCD显示、LED指示灯和蜂鸣器等器件组成，其组成框图如图1所示。主控板主要功能是实现伺服信号采集、计算、判断、数据输出和告警状态输出。

图1　伺服电压检测仪设备总体架构

3主控板设计及功能

伺服电压检测设备的主控板是该项技术的核心部分，主要包含测量信号采集模块、信号处理模块、显示与告警模块和电源模块(如图2所示)。

图2　伺服电压检测仪主控板组成框图

3.1测量信号采集模块

测量信号采集模块主要进行伺服阀输出电流采集和信号A/D转换。待测控制系统的伺服阀输出电流范围为-50mA～50mA，最大负载为400Ω，因此，本采集模块前端选取了200Ω/1W的大功率电阻用于电流采样。采样后的信号首先输入电压适配网络，将其适配为0.1～1.9V电压，作为数模转换芯片AD9203的模拟信号输入。设备采用的AD9203采样精度为10位、采样速率10MHz，设计满足待测控制系统的伺服阀电压测量精度和刷新率需求。

3.2信号处理模块

设备采用ALTERA公司XC9536XL-10VQ44I型CPLD作为信号处理核心，主要完成信号处理、逻辑判断、数据输出和超限报警。CPLD使用的晶振频率为40MHz，依据伺服电压刷新率需求，CPLD采用内部PLL分频出1MHz时钟输出给A/D转换芯片，CPLD对A/D采样信号进行处理，将数据格式化为-20V～20V范围的数据信号，线性对应-50mA～50mA的输入信号电流值，格式化后的数据通过串行数据线发送至LCD驱动芯片。同时，当CPLD判断采集到有效信号且格式化后的电压范围处于-20V～-10V或10V～20V之间时，主控板输出LED告警指示控制信号和告警提示音控制信号。

3.3显示与告警模块

显示与告警模块包括LCD驱动芯片HT16L21、LCD液晶屏接口、LED指示灯接口和蜂鸣器。其中，HT16L21驱动芯片提供32位数字LCD显示屏驱动能力，功能是将CPLD输出的串行数据信号转换成并行控制信号，减少了CPLD管脚资源占用，提高LCD屏幕驱动适配能力。

3.4电源模块

电源模块主要由TPS54616电源管理芯片和外围配置电路组成，TPS54616电源管理芯片具备3V～6V的宽压输入能力。由于设备采用CR123型电池供电，即设备支持1颗、2颗串联、2颗并联和2串2并等多种电池配置方式。TPS54616芯片将电池供电装换成稳定3.3V电压为A/D转换芯片、CPLD、LCD驱动芯片和LCD显示器供电。电源LED指示灯用于显示电源模块工作状态。

4CPLD算法设计

CPLD是信号处理模块的核心，芯片选用ALTERA公司XC9536XL-10VQ44I型CPLD，开发环境为ALTERA公司的QUARTUS II v7.2，开发语言为VHDL。CPLD接收到的A/D数模转换模块发送来的采样信号，采样间隔为1μs，采样精度为0.04V。CPLD主要完成的任务如下：

(1)有效信号获取模块

CPLD连续接收10个采样点，即10μs采样时间，并求出10个采样点的平均值。当且仅当判决到1次平均值在≥0.1V或≤-0.1V时，算法进入计算模块；否则继续寻找有效信号。

(2)计算模块

当收到获取模块触发标志位，计算模块计算之后50个采样点平均值，即50μs采样时间内的电压平均值，则计算模块输出工作状态标志到工作指示LED灯，同时输出平均值给LCD驱动器和状态判决与告警模块。

(3)状态判决和告警模块

当收到计算模块触发标志位，状态判决和告警模块判决每500个采样点，即计算模块传来的连续10个平均值都满足≥-10V且≤10V时，则输出电压正常标志，即状态告警LED灯点亮为绿色；当连续10个平均值都满足≤-10V或≥10V时，则输出电压告警标志，即状态告警LED灯点亮为红色，同时输出蜂鸣器开启标志。

CPLD算法设计框图如图3所示。

图3　CPLD算法设计框图

5结论

本文阐述了一种基于CPLD架构的伺服检测技术，该项技术代替以往所采用的常规仪器配合现场电路配置完成的检测工作，同时，针对不同待测伺服设备，CPLD的灵活设计和扩展能力保证了更好的测试适应性。该项检测技术实现了实时测量并显示试验过程中的伺服阀输出电压，并在伺服阀输出电压超限时实现实时报警，其检测结果表明，信号稳定、精度高，提高了检测效率、检测可靠性和安全性。

参考文献

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Detection Technology for Servo Signal based on CPLD

Lv Shuaishuai1,2,Sheng Kai1,2,Gao Liwa1,2,Zhao Chan1,2

(1.The Eighth Research of China Aircraft Strength Research Institute,Xi′an 710065,Shanxi,China; 2.Aircraft Strength Research Institute of AVIC Full Scale Aircraft Structural Statics/Fatigue Lab, Xi′an 710065,Shanxi,China)

Abstract：In this paper,the method for detecting servo signal is studied.The traditional digital circuit design has some shortcomings,such as long development cycle,high cost,discommodious design,poor scalability,and so on.A kind of technology which uses CPLD ( Complex Programmable Logic Device) and VHDL (Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) to detect servo signal is developed.The technology can improve the stability and precision of servo voltage measurement,and shorten the measuring time at the test site,and the measured data can real-time display on LCD.

Keywords:CPLD;servo voltage detection;VHDL;LCD display

[收稿日期]2016-02-19

[作者简介]吕帅帅(1987—)，女，河北廊坊人，本科，助理工程师，主要研究方向：飞机结构强度试验控制。

中图分类号：TP391.4

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.018