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用FPGA来实现控制电阻的提供的设计过程

2018年06月14日 09:06 次阅读

0 引言

电阻几乎是所有电路中必不可少的部分,常见的也有很多不同阻值的电阻,然而在一些电路中同一位置不同时刻还需要不同阻值,在一些精度要求不高的场合,可用滑动变阻器来实现,但是我们不能确定其具体阻值。随着技术的进一步发展,为了满足教学研某些场合的需要,阻值确定并可调的电阻箱应运而生。电阻箱提供阻值的原理是通过电阻的串并联得到的不同阻值,因而用到的电阻数量较多,精度也不够高,而且还需要对所需电阻的每一位数选择相应的档位,比较麻烦,也不够直观。而在一些生产应用中(如产品校验)需同时提供几组不同电阻,且要重复提供(如做产品老化检测实验),这就需要将该阻值记录下来,而以前的电阻箱都不具备记忆功能,不能满足要求。

本文介绍了用FPGA来实现控制电阻的提供,用软件的方式来设计硬件,设计过程中可用有关软件进行各种仿真,同时整个系统可集成在一个芯片上,体积小、功耗低,可靠性高,又因为其内部有存储单元,所以能够满足上述的“记忆”功能。

1 硬件电路

基于FPGA的可编程电阻系统的硬件系统(如图1所示)主要由以下几个功能模块组成:

用FPGA来实现控制电阻的提供的设计过程

1.1 主控制器FPGA

FPGA(本设计中选用的是CyeloneII系列)控制中心是整个设计的核心,主要控制实现对系统的键盘输入进行处理,并根据输入的信息转换成输出数据,控制对应的继电器的吸合,从而得到不同的阻值。

以往可编程网络的主控制器有采用数字电路控制的,也有采用单片机控制的,本电路采用FPGA控制。EPGA是近几年来出现并被广泛应用的大规模集成电路器件,它的特点是直接面向用户,具有极大的灵活性和通用性,使用方便,硬件测试和实现快捷,开发效率高,成本低,上市时间短,技术维护简单,工作可靠性好等。因而用来设计可编程电阻其灵活性更好。

目前市场上主要生产FPGA产品的公司有LatTIce、Xilinx、Altera。在教学过程中,一般使用Altera公司生产的FLEX系列和 Cyclone系列较多。鉴于产品的成本和通用性考虑,本实验中采用CycloneII,它是第二代低成本FPGA系列,它所拥有的独特性能有:NiosII嵌入式处理

器支持,嵌入式18*18数字信号处理乘法器,中等容量的片内存储器(能够满足本设计的要求)中等速度的I/O引脚和存储器接口。在性价比上更适合本设计,所以在本设计中选用此系列。

1.2 键盘输入电路

键盘输入电路主要实现输出电阻值大小的设定,本设计中采用的4*4简易键盘输入即可满足要求,可提供简单明了的数字键和功能键共16个键,包括:数字输入键:数字键0~9,按下数字键,输入一个数字,就可在对应的数码管上显示。

功能键:“电阻1”、“电阻2”本设计可以同时提供两组电阻,可以选择电阻1,也可以选择电阻2,提供一组电阻,也可以电阻1、电阻2同时选择提供两组电阻。

“存储”:每输入完一个数字后按一下存储键,以便能够将几个数据存储下来,运行后将按数据存储的先后顺序及预置的时间工作,循环提供数据。

“运行”:此键作为存储完数据后的启动键。

“停止”:停止提供电阻。

“复位”:可作为修改数据时用,按此键后可以使以前存储的数据都清零,然后重置一组数据。

1.3 继电器电阻网络

电阻网络。其原理图如图2所示,从图中可以看出,开关的闭合决定与其对应的电阻的接入与否,本设计中采用8421编码原理控制提各阻值。

用FPGA来实现控制电阻的提供的设计过程

本设计所供用的电阻要精确到0.1 Ω,所以,此电阻网络所使用的电阻都是精密电阻。这里我们以提供电阻阻值在1500Ω以内的电阻为例来说明。此电阻网络采用串联的方式来实现,8421编码方式只要控制相应的继电器,将其对应的精密电阻短接就可以实现。以1500 Ω以内电阻为例,只需16个电阻就可以满足要求。通过控制继电器J1至J16的断开或闭合,其对应的电阻就会接入或断开,最后接入的电阻串联相加就得输出的电阻值。

如通过键盘输入一个预置值,如果输入的数值为545.7Ω, 输出的阻值大小就可以表示R=400+100+40+4+1+0.4+0.2+0.1。即只需将这些电阻需要接入,相应的继电器J1、J2、J3、J5、 J7、J11、J13、J15要断开,其余的继电器则闭合,对应的二进制代码则为(0101 0100 0101 0111)B,通过此列可以看出用16个电阻就可以实现1500Ω以内的精度可达到O.1 Ω的任何电阻,使用电阻数量小,通过程序来控制电阻的接入,体积更小,同时,维护起来也更加方便,如果需要大于1500Ω的电阻,同样可以根据此原理来增加电阻(如8000、4000、2000、1000等),因为此设计中同时提供两个电阻,因而还要16个同样的电阻,原理同上(根据不同场合如要提供三组或三组以上的电阻只需相应增加即可)。

1.4 输出显示电路

输出显示电路主要功能是实时显示对应的键盘输入电阻值的大小、当前工作的步数和预置时间。根据要求,本实验采用数码管来显示其阻值即可,能够满足要求,为了显示以上数据,每个阻值的显示至少需要九个数码管,其中五位用来显示当前阻值的大小,两位用来显示当前的工作步数,两位用来显示数据的工作时间,如果采用静态显示控制将会需要相当多的引脚端资源(9&TImes;2&TImes;8=144个),为了减少对FPGA引脚资源的使用,本设计中采用扫描的方式来实现LED的动态显示。

2 软件设计及部分仿真结果

本设计中,主要控制程序都是通过FPGA的软件编程来实现。软件设计大体可以分为三个大模块:键盘扫描模块、LED显示模块、继电器电阻驱动电路模块。

2.1 键盘扫描模块

键盘扫描模块主要用来检测外界输入的数据,主要由分频器电路、键盘扫描计数器电路、键盘行和列按键检测电路、按键抖动消除电路和键盘编码电路组成。

因为本设计中外接频率为一般用6MHz的信号作为时钟信号,但是键盘扫描不需要那么高的频率,所以需要一个分频电路将其频率降低为1kHz。键盘扫描计数器主要为键盘行和列按键检测电路和键盘编码电路服务,键盘行和列按键检测电路用来检测键盘输入所在行列的位置,按键抖动消除电路主要目的是为了避免按键时键盘产生的拉动效应使按键使能位产生不必要的抖动变化而造成重复统计按键次数的结果。同时,键盘位置的代号,并不是键盘上的按键值,所以要用键盘编码电路来传递真正的按键值。

2.2 LED显示模块

LED显示模块采用动态显示方式,这种实现方法是依次点亮各个LED数码管,循环进行显示,这种显示方式控制好数码管之间的延时相当重要,根据人眼视觉暂留原理,LED数码管每秒的导通16次以上,人眼就无法分辩LED数码管短暂的不亮,认为是一直点亮的,但延时也不是越小越好,因为LED数码管达到一定亮需要一定时间。为了达到较好的效果,本设计中延时取0.005s。

2.3 继电器电阻驱动电路模块

继电器电阻驱动电路模块主要是FPGA根据键盘输入的电阻值,判断相应的一些电阻是否要接入,从而使电阻对应的继电器闭合或断开,给予其对应的信号1或O即可。

2.4 仿真结果

由上述理论可知,电阻1的产生原理和电阻2的产生原理完全一样,为了使仿真结果更加明了,这里的仿真波形只用电阻1来验证其正确性,其仿真波形如图3所示。

用FPGA来实现控制电阻的提供的设计过程

此图是仿真图中的一部分,只选择了几个有代表性的信号显示出来加以说明,从图中可以看出有时钟信号clk,复位信号reset,电阻1选择信号 resistancel,numll至num51显示的分别是电阻值的小数位、个位、十位、百位、干位。step11和step21分别显示的是当前工作的步数的个位和十位,其中TIme11和time21分别显示的是工作时间的个位和十位。Bus9则是动态显示时的数据信号,JIDIANQI则代表的是16个继电器的开关状态。从上图中可以看出该电阻的小数位的段码为07H,对应的二进制就是00000111,其对应显示的数字是7即小数位为7,同理可知其个位数为5,十位数为4,百位数为3,千位数为1,所以其阻值就为1345.7Ω,从图中可以看出总线上是循环传递着时间、步数和数值信息,根据阻值,其相应的继电器会闭合,根据上述电阻网络原理,J4、J6、J8、J9、J10、J12、J14闭合,其余的继电器均断开,即对应的二进制代码为(0010101110101000)B,换算成十六进制即为2BA8,从上图可以看出其验证结果是正确的。

3 结束语

系统通过引进FPGA来实现电阻提供这一模块,且将周围其他数字逻辑电路也集成至该芯片中。这样既解决了系统的特殊性,又增强了系统的抗干扰性,提高了控制精度,也简化了调试。此外,本系统还将驱动电路、编解码电路等硬件通过VHDL语言在FPGA芯片中实现,相比以前的模拟电路和单片机的实现方法,使用的元器件更少,体积也更小,针对不同场合,修改起来也更加方便。具有很好的市场前景。

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本文首先介绍了FPGA的硬件构造属性,其次介绍了FPGA开发流程,最后介绍了FPGA总体设计考虑的硬...

发表于 2018-05-31 10:12 2449次阅读
MCU工程师须知的FPGA硬件属性

FPGA会取代DSP吗?FPGA与DSP区别介绍

本文首先分析了FPGA是否会取代DSP,其次介绍了FPAG结构特点与优势及DSP的基本结构和特征,最...

发表于 2018-05-31 09:51 1408次阅读
FPGA会取代DSP吗?FPGA与DSP区别介绍

一文解读FPGA设计者的5项基本功及设计流程

本文首先介绍了FPGA发展由来,其次介绍了FPGA的硬件设计技巧及FPGA设计者的5项基本功,最后介...

发表于 2018-05-31 09:35 5350次阅读
一文解读FPGA设计者的5项基本功及设计流程

为什么数据中心使用FPGA越来越多?

本文首先介绍了PGA基本特点与三大优势,其次介绍了FPGA工作原理及典型的应用领域,最后阐述了在数据...

发表于 2018-05-31 09:12 2956次阅读
为什么数据中心使用FPGA越来越多?

FPGA比CPU和GPU快的原理是什么

本文首先阐述了FPGA的原理了,其次分析了FPGA比CPU和GPU快的原理,最后阐述了CPU与GPU...

发表于 2018-05-31 09:00 3886次阅读
FPGA比CPU和GPU快的原理是什么

FPGA学习系列:1.quartus II 13...

今天从这一篇开始给大家分享一些干货,以便大家学习FPGA,多动手,从实践中学习理论是最效果的学习方法...

发表于 2018-05-30 14:17 1617次阅读
FPGA学习系列:1.quartus II 13...

从FPGA到ACAP,赛灵思再次超越自我

赛灵思是FPGA的发明者。深鉴科技提供的一个实际案例表明,赛灵思在支持非常广泛的AI应用.作为可以和...

发表于 2018-05-30 09:14 570次阅读
从FPGA到ACAP,赛灵思再次超越自我

FPGA市场现状和未来趋势如何?

本文首先介绍了PGA的发展由来及工作原理,其次介绍了FPGA基本特点及国内发展现状,最后介绍了中国F...

发表于 2018-05-30 09:02 598次阅读
FPGA市场现状和未来趋势如何?

FPGA如何从入门到高手?

本文首先介绍了FPGA的特点与FPGA芯片结构,其次分析了FPGA与ASIC及CPLD对比,最后介绍...

发表于 2018-05-30 08:39 559次阅读
FPGA如何从入门到高手?

FPGA的优点和缺点介绍_IP核在FPGA设计中...

我是MCU的长期用户和狂热者,特别是对多功能低成本MCU上有着浓厚的兴趣,这种MCU模块能够通过单芯...

发表于 2018-05-30 02:46 317次阅读
FPGA的优点和缺点介绍_IP核在FPGA设计中...

哪些场景需要传感器“耍小聪明”?

Lattice sensAI是一种结合模块化硬件套件、神经网络IP核、软件工具、参考设计和定制化设计...

发表于 2018-05-29 19:24 539次阅读
哪些场景需要传感器“耍小聪明”?

一文看懂FPGA在下一代网络架构中的重要意义

本文首先介绍了FPGA概念及与CPLD的主要区别,其次介绍了FPGA工作原理及下一代网络架构中的重要...

发表于 2018-05-29 16:41 301次阅读
一文看懂FPGA在下一代网络架构中的重要意义

全国集成电路“创业之芯”24强,究竟是哪24强呢...

公司致力于开发、生产、销售中红外半导体激光芯片,包括可用于气体检测的中红外单模激光芯片、可用于军事红...

发表于 2018-05-29 15:20 883次阅读
全国集成电路“创业之芯”24强,究竟是哪24强呢...

介绍一下xilinx的开发软件vivado的仿真...

本文介绍一下xilinx的开发软件 vivado 的仿真模式, vivado的仿真暂分为五种仿真模式...

发表于 2018-05-29 13:46 1089次阅读
介绍一下xilinx的开发软件vivado的仿真...

FPGA是如何实现30倍速度的云加速的?

2017年1月20日,腾讯云推出国内首款高性能异构计算基础设施FPGA云服务,利用云服务的方式将只有...

发表于 2018-05-29 13:44 926次阅读
FPGA是如何实现30倍速度的云加速的?

基于RO电路变化PUF的FPGA实现

现代密码协议规定只有授权参与者才可以获得密钥和访问信息的权限。然而,通过侵入系统泄露密码的方法层出不...

发表于 2018-05-29 11:35 454次阅读
基于RO电路变化PUF的FPGA实现

简谈Altera和Xilinx的FPGA区别

大家好,又到了每日学习的时间了,最近有很多人再问我学习FPGA到底是选择Altera的还是xilin...

发表于 2018-05-29 10:41 1283次阅读
简谈Altera和Xilinx的FPGA区别

Molex 宣布收购 BittWare公司

Molex 宣布收购 BittWare, Inc.,后者是一家全球领先的计算系统的提供商,专业提供...

发表于 2018-05-29 10:29 847次阅读
Molex 宣布收购 BittWare公司

未来GPU、FPGA和SoC的重要性

云端数据中心和自动驾驶汽车等未来系统,需在运算能力上进行改善,以支持不断增加的工作负载,以及不断演进...

发表于 2018-05-29 02:45 143次阅读
未来GPU、FPGA和SoC的重要性

赛灵思的 FPGA已经翻天覆地 并且提出三大愿...

30多年过去,RossFreeman最初构建的可编程器件帝国已经发生了翻天覆地的变化,恰如人间的沧海...

发表于 2018-05-29 02:40 377次阅读
赛灵思的 FPGA已经翻天覆地  并且提出三大愿...

Xilinx FPGA开发工具总结

在xilinx下每种操作其实都对应着一种工具,逻辑综合,网表与constraint fie的合并,布...

发表于 2018-05-28 11:42 672次阅读
Xilinx FPGA开发工具总结

ZYNQ-7000如何生成从Flash和SD卡启...

ZYNQ-7000如何生成从Flash和SD卡启动的镜像文件 将PL与PS部分一起使用,并且通过JT...

发表于 2018-05-28 11:42 553次阅读
ZYNQ-7000如何生成从Flash和SD卡启...

如何为 FPGA 供电寻找最佳解决方案

如果使用多个单独的电源,增加时序控制芯片便可实现所需的上电/关断顺序。一个例子是 LTC2924,它...

发表于 2018-05-28 11:32 138次阅读
如何为 FPGA 供电寻找最佳解决方案

为什么说学好FPGA,首先要掌握HDL

荐读:如何学习FPGA 大家好。又到了每日学习的时候了,近期很多人问我该如何去学FPGA,那...

发表于 2018-05-28 09:09 1041次阅读
为什么说学好FPGA,首先要掌握HDL

加速到来的未来_通过定制化软件提高工作流程

近日,在 NIWEEK 2018上, NI 市场副总裁Luke Schreier做了题为《加速到来的...

发表于 2018-05-26 09:35 944次阅读
加速到来的未来_通过定制化软件提高工作流程

看LabVIEW之父谈论未来LabVIEW的软件...

日前,在 NIWEEK 2018上, NI 共同创始人、Fellow、有着 LabVIEW 之父称号...

发表于 2018-05-26 09:25 1962次阅读
看LabVIEW之父谈论未来LabVIEW的软件...

嵌入式工程师为何要选用FPGA?

在一个领域中,如果唯一不变的是变化,那么不需要对管家婆生活幽默技术和设计方法的发展变化做多少回顾,就能见证到变...

发表于 2018-05-25 16:53 796次阅读
嵌入式工程师为何要选用FPGA?

FPGA的DCM时钟管理单元概述

有些FPGA学习者,看Xilinx的Datasheet会注意到Xilinx的FPGA没有PLL,其实...

发表于 2018-05-25 15:43 679次阅读
FPGA的DCM时钟管理单元概述

聊一聊FPGA的片内资源相关知识

大家好,到了每日学习的时间了。今天我们来聊一聊FPGA的片内资源相关知识。 主流的FPGA仍是基于查...

发表于 2018-05-25 14:11 1082次阅读
聊一聊FPGA的片内资源相关知识

基于北斗卫星系统的机载高速摄像机时间同步器

在民用飞机飞行试验中,为了保证图像测试数据的准确可靠,机上图像测试系统中不同测试设备时间需要严格的统...

发表于 2018-05-25 08:24 682次阅读
基于北斗卫星系统的机载高速摄像机时间同步器

英特尔 FPGA释放数据潜能 加速从云到边缘的成...

英特尔® 现场可编程门阵列(FPGA)继续在市场中保持强劲的发展势头。配合英特尔®处理器,FPGA释...

发表于 2018-05-24 16:17 2426次阅读
英特尔 FPGA释放数据潜能 加速从云到边缘的成...