基于DSP Builder設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)FPGA控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析

在控制領(lǐng)域中，PID控制足最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。此外，隨著控制理論的發(fā)展，專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)理論和傳統(tǒng)的PID控制策略相結(jié)合又派生出各種新型的PID類控制器，形成龐大的PID家族，很多算法大大改進(jìn)了傳統(tǒng)P1D控制器的性能。然而，這些算法在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用范圍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)PID算法，其中一個原因就足傳統(tǒng)的單片機(jī)加分立元件構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)在實(shí)施更新更復(fù)雜的算法時，算法的復(fù)雜性或使得系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)調(diào)試更加復(fù)雜，或使得單片機(jī)內(nèi)軟件代碼行增多，延時加大，開發(fā)周期變長。穩(wěn)定性和可靠性在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)時成為不能忽視的一個問題。

而近年來，微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得集成電路設(shè)計(jì)和工藝水平有了很大的提高，隨著超深亞微米技術(shù)的發(fā)展，使得原先由許多IC組成的電子系統(tǒng)集成在一個單片硅片上成為可能，構(gòu)成所謂的片上系統(tǒng)（System 0n Chip，SOC），同時也促進(jìn)了相應(yīng)EDA工具的蓬勃發(fā)展。

控制算法的極大豐富和微電子領(lǐng)域工藝技術(shù)及EDA工具的飛速發(fā)展，使得我們可以將兩個領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢集合在一起，在EDA工具的幫助下便捷快速地在FPGA上可靠地實(shí)現(xiàn)各種新型算法，完成整個控制系統(tǒng)從行為算法級（系統(tǒng)級）到物理結(jié)構(gòu)級的全部設(shè)計(jì)，從而達(dá)到將各種新型PID算法廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)的目標(biāo)。

2、離散PID控制算法

2．1 PID算法

比例、積分、微分（PID）控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，運(yùn)用最廣泛的一種控制方式。其基本原理是根據(jù)反饋控制系統(tǒng)的偏差值按比例、積分、微分函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，所得結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)偏差值的運(yùn)算結(jié)果來控制被控對象。在連續(xù)時間域中，PID控制器算法的表達(dá)式為：

其中：e（t）為控制器的輸入即控制系統(tǒng)的給定量與輸出量的偏差；u（t）為控制器的輸出；Kp為比例系數(shù)；Tl為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

2．2 PID算法的離散化

由于計(jì)算機(jī)控制只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，因此需對上式進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法式（1），以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時間t，以矩形法數(shù)值積分（和式）近似代替積分，以一階向后差分（增量）近似代替微分，即：

可得離散PID表達(dá)式：

式中，積分系數(shù)K1=KP/Tl，微分系數(shù)KD=KPTD，T為采樣周期，k為采樣序號，k=1，2，…，e（k一1）和e（k）分別為第（k一1）和第k時刻所得的偏差信號。

2．3 PID控制系統(tǒng)框圖

一般控制系統(tǒng)的PID系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。其中，source為系統(tǒng)設(shè)定值，feedback為系統(tǒng)反饋值，e（t）為反饋誤差，u（t）為PID控制器輸出值。圖中“PID控制算法”框圖子系統(tǒng)即需要我們在算法級用DSP Builder進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)仿真。

3、基于DSP Builder的PID控制系統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)步驟與開發(fā)

3．1 Simulink工具箱的A1tera DSP Builder 組件

在利用FPGA進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用上，已有了全新的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)流程。DSP Builder。就是Altera公司推出的一個面向DSP之類的芯片級開發(fā)的系統(tǒng)級工具。他是作為Matlab的一個Simulink工具箱（Tool Box）出現(xiàn)的，他使得用FPGA設(shè)計(jì)專用芯片系統(tǒng)完全可以通過Simulink的圖形化界面進(jìn)行，只要簡單地對DSP Builder工具箱中的模塊進(jìn)行調(diào)用即可。值得注意的是，DSP Builder中的基本模塊是以算法級的描述出現(xiàn)的，易于用戶從系統(tǒng)或者算法級進(jìn)行理解，甚至不需要十分了解FPGA本身和硬件描述語言。這為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的工程師開發(fā)基于FPGA/ASIC的可靠控制系統(tǒng)芯片自頂向下的算法級設(shè)計(jì)提供了便利的條件。

3．2 在Matlab中用DSP Builder完成頂層算法設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方法可以從與硬件完全無關(guān)的系統(tǒng)級開始，首先利用Matlab強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析能力和DSP Builder提供的模塊（或IP核）完成頂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真測試。

根據(jù)圖1的原理，在Matlab中進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，Simulink頂層設(shè)計(jì)模型如圖2所示。

在頂層設(shè)計(jì)模型中，除“PID控制子系統(tǒng)”外，其他部分均采用一般Simulink組件設(shè)計(jì)。為了在驗(yàn)證仿真時更貼近實(shí)際系統(tǒng)，給被控對象加上可調(diào)延時深度的延時即節(jié)。信號發(fā)生器給出系統(tǒng)設(shè)定值，對一般實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)而言，可以使用典型的矩形波，這里用數(shù)個矩形波與正弦波的疊加來仿真系統(tǒng)設(shè)定值的給出。

模型中的“PID控制子系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)PID算法部分。該子系統(tǒng)經(jīng)仿真設(shè)計(jì)后，將通過DSP Builder中的SignalCompiler轉(zhuǎn)換為FPGA的HDL 語言設(shè)計(jì)，所以這部分除了仿真觀察所需的示波器等外需全部采用DSP Builder組件來設(shè)計(jì)，否則Signal Compiler編譯時不能識別。

為了簡單地說明如何用DSP Builder自頂向下的設(shè)計(jì)基于FPGA的控制系統(tǒng)，這里用普通的位置式PID算法進(jìn)行舉例。位置式PID算法的PID控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

在圖3中，輸入誤差信號采用了16位精度。而為了實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分系數(shù)的精確可調(diào)，在這里PID系數(shù)采用了8位精度，使系數(shù)至少可以精確到百分位。同時，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中為了盡量避免浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，這里將PID系數(shù)取成整型，先放大數(shù)據(jù)值到24位，而在并行加法器運(yùn)算單元后用IO&Bus中的總線轉(zhuǎn)換器單元對累加后的數(shù)據(jù)進(jìn)行位數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)FPGA中的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

Matlab仿真結(jié)果如圖4所示。其中，source為系統(tǒng)設(shè)定值，feedback為系統(tǒng)反饋值。

波形仿真成功后，需要將Matlab中圖形化的頂層設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換成能夠被FPGA開發(fā)軟件識別的HDL語言描述文件。在圖2中，打開Signal Compiler模塊，配置相關(guān)參數(shù)，可以將DSP Builder 設(shè)計(jì)的“PID控制子系統(tǒng)”編譯成VHDL及Veirlog語言的RTL表述和工具命令語言Tcl腳本。根據(jù)編譯信息前面的設(shè)計(jì)模型，直到編譯報告中Convert Mdl to VHDL，Synthesis，Quartus II Fitter三項(xiàng)狀態(tài)均為PASSED，即可獲得ModelSim所需的tb_SystemName.tcl功能仿真文件腳本和Quartus所需的SystemName.qpf 項(xiàng)目文件和SystemName.vec 仿真波形文件。

3．3在ModelSim中實(shí)現(xiàn)HDL代碼功能仿真

在ModelSim菜單中執(zhí)行Tools一》Execute Macro，打開前述Signal Compiler編譯生成文件tb_System-Name．tcl（VHBL）或tb_vo_SystemName．tcl（Verilog），調(diào)試成功后，仿真得到圖5結(jié)果。功能仿真結(jié)果與Matlab中基本一致，證明頂層設(shè)計(jì)基本成功。

3．4 在Quartus中實(shí)現(xiàn)FPGA開發(fā)

在Quartus中打開前述Signal Compiler編譯生成文件SystemName．qpf。設(shè)定相應(yīng)器件Device，在Tcl Scripts中運(yùn)行SystemName_quartus．tcl配置此工程項(xiàng)目變量，然后編譯。調(diào)試成功后，載入SystemName．vec波形仿真文件運(yùn)行時序仿真工具，得到圖6結(jié)果，與圖5基本相符，證明設(shè)計(jì)成功。

4、結(jié) 語

這里給出了一個最初用于FPGA的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工具DSP Builder在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，目前在已出版的國內(nèi)期刊及論文庫中似乎還沒有相關(guān)文獻(xiàn)談到這個交叉領(lǐng)域的應(yīng)用。

在控制領(lǐng)域里，當(dāng)各種復(fù)雜的新型PID算法應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)中時，由于傳統(tǒng)單片機(jī)與分立元件電路系統(tǒng)的局限性，硬件指標(biāo)和軟件復(fù)雜度都使得新的應(yīng)用及研發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)展緩慢；普通FPGA/CPLD沒計(jì)又存在著沒計(jì)周期長、可重復(fù)利用性差等缺點(diǎn)。我們將日益完善的SoC設(shè)計(jì)工具應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，不僅在算法設(shè)計(jì)上有了新的方便快捷的設(shè)計(jì)工具，同時籍由FPGA硬件本身的優(yōu)點(diǎn)也可以解決單片機(jī)及分立元件存在的電磁干擾、系統(tǒng)復(fù)雜度高等各類問題，從而大大提高將各種新型PID算法廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)的可行性。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步的探討：由于設(shè)計(jì)是從與硬件完全無關(guān)的Matlab系統(tǒng)級仿真開始，因此便于傳統(tǒng)控制領(lǐng)域工程師們可以迅速地將算法級的構(gòu)思應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從而可以將有限的精力專注于系統(tǒng)級算法的設(shè)計(jì)，而避免陷入重復(fù)繁瑣的電路設(shè)計(jì)中去，縮短從人腦構(gòu)思到實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的時間周期。其中單個設(shè)計(jì)MDL文件甚至可以考慮封裝成“算法包”的形式進(jìn)行資源重復(fù)利用，以實(shí)現(xiàn)功能單元的便捷增減和縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。這里可能存在著控制領(lǐng)域里可重用算法及相應(yīng)“包”的接口標(biāo)準(zhǔn)。這種情況或許和SOC領(lǐng)域IP核的現(xiàn)象有部分類似，本文就不再多述。

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