基于FPGA的数控电箱专用综合检具设计

2018-05-16宿文玲于海宏

机械工程师 2018年4期

宿文玲，于海宏

（1.黑龙江财经学院，哈尔滨 150025;2.哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，哈尔滨 150040）

0 引言

在当今的检测测量仪器领域，数控系统已完全普及，市场上几乎所有的主流测量仪器都具有一套能实现全自动测量功能的数控系统，而且由于测量仪器功能要求特殊、产品批量小的特点，所以这些测控系统都是由各个生产厂家根据所产仪器的具体功能独立开发，这种自主开发的数控系统可以最大限度地满足仪器的功能需求，具有很高的灵活性。但与此同时，也就要求生产厂家要具备很好的数控系统生产能力，这样才能保证配套数控系统的仪器具有可靠的稳定性，由此可见，为生产现场配置一套辅助专用检具就变得十分重要，本文就介绍了一种数控电箱专用检具的设计过程。

1 总体方案设计

考虑到专用检具的使用条件及功能需求，在制定总体研发方案任务书时，规定该套专用检具应具备如下特定功能：1）检具应便于操作，有交互操作界面。2）检具的检测功能应全面，尤其是例如光栅信号、伺服电动机控制反馈信号、操作舵模拟信号以及各种I/O信号都要能实现检测。3）检具所有的电源与接口应与数控电箱内被检测板卡一致，以便于简化检测过程的操作。4）在满足基本功能的前提下，检具主体电路设计应尽量简洁，具有一定灵活性。因此核心信号处理电路将采用FPGA可编程门电路芯片完成，这使得检具主板的主要数字信号处理和运算功能将通过软件编程的形式实现，使板卡摆脱了硬件的限制，具备很高的灵活性。5）板卡设计应充分考虑可调试性和抗干扰能力。

2 检具的具体设计

根据总体设计方案所要达到的设计目标，参照板卡设计的常规设计流程，从如下几个方面开始检具的具体设计。

2.1 检具主板原理图设计

检具主板是整套检具的主体，检具各种检测功能的实现，以及与操作者间的交互界面都由检具主板完成,因此我们将检具主板分为检测功能模块、接口模块、电源模块和操作交互界面四大模块进行原理图设计，这样做可使设计思路更加清晰，同时分模块设计也大大降低了设计难度。

2.2 检具主板FPGA芯片选型及相关设计

检具主板所要具备的检测功能较多,若每个检测功能都设计相应的硬件电路,不仅工作量较大,检具的功能也将受到限制,因此综合考虑后决定选用FPGA芯片作为核心处理芯片，所有检测功能都通过FPGA芯片内部程序实现。根据以往设计案例的经验,我们选用了应用比较多的Altera公司出品的CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C20Q,这款FPGA芯片内部集成有程序存贮模块,这样在满足设计功能的同时，节省了一片外置EEPROM芯片，减少了布线空间和PCB板布线工作量。通过Quartus软件给FPGA芯片分配管脚定义时,要充分考虑到后期PCB板布线的合理性，将相同功能的管脚定义到芯片同侧。

FPGA芯片按设计分配完管脚功能后,检具主板设计功能主要是靠芯片内部的程序实现,因此程序设计也是整套检具研发的重点与难点,对比常用的程序设计方法,显然采用编程语言设计结合图形设计的混合设计方法更具优势,我们将每个检测功能用Verilog HDL编程语言实现后,封装成特定的图形功能模块,再结合Quartus软件自带的通用图形功能模块实现设计目标,采用这种混合设计方法,整套FPGA程序呈图像化的表现形式（见图1）,这样大大增强了程序的可读性、可移植性，也降低了开发难度。

图1 FPGA程序框图

2.3 检具主板电源模块设计

在设计检具电源模块时考虑到数控电箱的工作环境，因此我们为检具主板选择与数控电箱相同的工作电源：+5 V、+12 V和-12 V，这样在进行检测时数控电箱与检具可共用电源，减少电源种类，设计中每路电源在输入后都要经过滤波电容和电感电容的滤波处理，避免电源对检具的干扰。每路电源都串联了可复位保险丝，可保证若被检测数控电箱电源电路存在故障时检具不会被烧毁。检具主板除基本工作电压外，我们还利用电源转换芯片将+5 V电源转换为+3.3 V低压电源，用于保证FPGA芯片和液晶屏ARM控制芯片对于低压电源的需求。

2.4 辅助功能板卡的设计

数控电箱在检测过程中，我们应尽量模拟实际的使用情况，针对数控电箱的各种功能及工作特点进行检测，因此在数控电箱内部被检测板安装到检具主板上后，为了模拟仪器工作状态时的各种信号，我们还需设计多个辅助电路板实现检测功能。

1）I/O接口检验及操作舵调整板。本板卡模拟了仪器的操作面板，与仪器的实际使用情况相同，板卡通过一根DB37芯插头与安装在检具主板上的数控电箱的面板接口相连，在此辅助板卡上布置了4个按键、4个LED指示灯和4个旋转电位器，分别模拟操作面板上的功能按键、按键指示灯和仪器模拟操作舵的4个方向，通过辅助板卡与检具主板相应按键和LED指示灯的操作，可判断数控电箱与操作面板相关的输入输出信号是否工作正常。另外，因为仪器使用的是模拟操作舵，所以需要在数控电箱相关电路调整操作舵模拟量的放大比，检测时通过检具主板的液晶屏，将检测程序调整到“操作舵检测”项目，通过辅助板卡上的旋转电位器模拟操作舵在极限位置所发出的模拟量，调整数控电箱内部的放大比电位器完成操作舵的调整。

2）电动机驱动器信号接口检测板。数控电箱上面板有4个伺服电动机驱动器接口，用于给仪器4个坐标轴的伺服电动机提供控制电压、接收驱动器报警信号，同时给驱动器发出“使能”、“嵌位”、“报警清除”等信号，因此在本检验板上，我们设置了多个按键及LED指示灯，通过与检具主板的配合操作检测数控电箱与驱动器间各个I/O信号是否工作正常。同时还设置了数码显示管，当我们通过检具主板液晶屏将检测程序调整到“模拟量输出检测”后，检测主板发出±10 V区间的变化电压，若本辅助检测板上的数码管能显示相应的电压值，则证明数控电箱伺服电动机运动控制电压接口工作正常。

3）光栅信号接口检测板。对应每个运动轴的电动机接口，数控电箱还有4路光栅接口，用于接收仪器各轴光栅编码器信号，与其它辅助检测板卡相同，将板卡与固定在检具主板的数控电箱连接后，将检具主板的工作程序通过TFT液晶显示调整到“光栅检测”功能，通过在辅助检测板上设置的按键模拟光栅报警和光栅零位信号，同时通过特定程序使辅助检测板上设置的单片机发出差分数字信号模拟光栅信号，若检具主板液晶屏上能正常显示光栅计数，证明数控电箱光栅接口电路正常。

完成综合检具主板及各个辅助功能板的原理图设计后，按常规设计流程开始相应PCB板卡的设计，根据以往设计经验，在PCB板卡的设计过程中我们将各元器件按信号功能就近布置，方便PCB板信号线的布置；电源线与地线进行了加粗处理，同时各种信号接口封装样式都与数控电箱内部被检测板卡相同，提高检具的易用性。

3 检具的试制与测试

首套检具PCB板制板完成后，按照装配图逐一焊接电气元件，同时观察元件封装是否有不便于焊接操作的地方，以便在下次生成前进行修改完善。所有检具电路板完全焊接后，先对电源检测确认无误，按照总体设计方案的项目，对设计目标功能进行了逐一检测，经过多次反复的调试修改，检具主板（见图2）和辅助功能板都通过了测试，实现了最初的设计目标，且操作简单易学，信息提示清晰准确。利用这套检具检测多套新装配的数控电箱，实践证明，经过检具检测的数控电箱在装配到仪器主机上后，首次通电合格率极大提高，即使有故障的数控电箱，在检具的帮助下电工也能快速地找到故障点并加以解决。