基于PCI总线的电子万能试验机计算机控制系统的设计

摘要

电子万能实验机是测定材料力学性能的主要设备，当前使用的电子万能材料试验机控制系统大部分采用基于单片机的采集控制系统，或基于ISA总线的采集与控制卡，常需要手工操作控制，数据采集速度慢，数据传输率低，试验的精度不高。
　　基于此目的，本论文基于高速的PCI总线协议，采用FPGA设计总线接口及部分控制逻辑，采用24位串行A/D转换芯片设计数据采集电路，数据采集控制由AT89C51单片机控制，在此基础上设计开发了试验机的数据采集和输出控制系统，充分利用电子计算机的运算能力检测和控制试验机的运行过程，提高试验精度。
　　本文从电子万能试验机的构造及试验过程中的工作控制流程入手，抽象出试验机的控制和检测模型，制订电子万能试验机数据采集及输出控制系统的总体设计方案。分析PCI总线的规范，分析其数据传输的时序，生成PCI总线传输过程的状态机。分析PCI配置空间格式，完成配置寄存器功能设计。应用Verilog-HDL语言实现了PCI总线接口功能。在QuartusII软件环境下进行FPGA模型设计，利用ModelSim软件进行时序仿真，验证了接口设计的有效性。采用Verilog-HDL语言实现了位移编码器信号的相位分离以及32位的增减量计数功能。利用ModelSim软件进行仿真，验证了位移采集模块的功能。控制系统采用8路输入输出信号处理模块，实现了对输入信号的光藕隔离和输出信号的隔离及放大功能。系统采用高精度的16位D/A转换电路，通过控制输出电压实现对试验机电机转速及方向的控制。
　　本文的控制系统可以实现对万能试验机多种复杂灵活的控制方式，达到了设计目标。

目录

基于PCI 总线的电子万能试验机计算机控制系统的设计

THE COMPUTER CONTROL SYSTEM OFTHE UNIVERSAL MATERIAL TESTMACHINE BASED ON PCI BUS

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 试验机简介

1.1.2 电子万能试验机简介

1.1.3 WDW 系列微机控制电子万能试验机简介

1.1.4 试验机控制系统简介

1.2 PCI 局部总线技术概述

1.3 PCI 接口的实现方法

1.3.1 采用专用的接口芯片

1.3.2 采用可编程逻辑器件

1.3.3 本文PCI 接口的实现方案

1.4 论文的主要工作

1.5 论文的组织结构

1.6 本章小结

第2章 电子万能试验机控制系统硬件电路总体设计

2.1 电子万能试验机控制系统分析

2.2 电子万能试验机控制系统组成

2.2.1 位移信号测量模块

2.2.2 开关量信号处理

2.2.3 电机转速控制

2.2.4 负荷与变形测量模块

2.2.5 PCI 总线接口及设备地址译码

2.3 本章小结

第3章 PCI 总线接口的Verilog 设计

3.1 EDA 概述

3.1.1 Verilog HDL 语言

3.1.2 FPGA 和CPLD 技术

3.1.3 FLEX 10K 的内部结构及特点

3.2 PCI 接口逻辑的设计

3.2.1 PCI 总线命令

3.2.2 地址空间

3.2.3 PCI 总线传输过程

3.2.4 PCI 的配置空间

3.2.5 PCI 总线接口模块的组成

3.2.6 PCI 接口主要模块的具体实现

3.3 本章小结

第4章 数据采集与输出控制系统的硬件设计与实现

4.1 数据采集与输出控制的总体设计

4.2 PCI 总线接口及设备地址译码模块的设计

4.3 位移测量模块设计

4.3.1 差分信号处理电路

4.3.2 相位识别及位移计数功能的设计

4.4 开关量输入输出模块

4.5 转速控制模块

4.6 负荷和变形的测量模块

4.7 FPGA 的顶层设计

4.8 接口性能分析

4.9 本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢

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