基于以太網的高精度定位系統設計

哈思勁，何建新，李學華

(成都信息工程學院電子工程學院，四川成都610225)

0 引言

現代社會制造業、加工業和機器人產業等高速發展，定位系統在其中扮演著重要的角色，隨著納米技術這一前沿科技的發展，高精度定位系統更是在精密機械加工、微外科手術和航天系統中的有著不可替代的作用。而現有的多通道定位控制系統或者是單機版，不具備組網能力，或者是具備RS232，USB或RS485接口，前兩者電纜連接距離有限，不能遠距離控制，后者傳輸速率有限，數據通信能力差。針對以上問題，設計了一個網絡式高精度定位控制系統，精密定位控制使系統適用于軍工、科研等高要求場合，通過以太網組網，實現中心計算機實時遠程控制定位平臺，能運用于大型復雜系統[1]，并經驗證達到設計要求。

1 方案設計

如圖1所示，設計的核心處理器采用現場可編程門陣列(FPGA)，連接W5300網絡模塊、A/D模數轉換模塊、D/A數模轉換模塊、雙端口RAM和可配置存儲器等，提供網絡模塊與計算機連接的RJ45接口、對定位平臺控制的輸出接口以及反饋量輸入接口。當中心計算機通過以太網輸入設定定位參數后，手動或自動啟動定位控制過程。系統由A/D模塊采集定位平臺反饋量，結合由網絡模塊獲取的定位參數，FPGA硬件邏輯實現的PID控制器產生定位控制數字量輸出，D/A數模轉換模塊將該數字量轉化成系統最終輸出的模擬量輸出給定位平臺，控制平臺移動;此時，由于平臺位置發生改變，A/D模數轉換模塊采集到新的平臺位置反饋量，PID控制器也更新了定位控制輸出，如此形成一個閉環控制系統，實現高精度定位控制。中心控制計算機可以通過W5300網絡模塊由以太網遠程配置位置控制參數，并遠程采集位置數據，方便對其控制過程進行分析[2]。同時，多臺該裝置可以通過以太網實現復雜定位系統的組網。

圖1 系統框圖

2 系統實現

2.1 中心處理單元

系統的中心處理單元采用altera公司的150萬門級的FPGA芯片EP2C35F484C8，其采用90nm工藝，1.2v內核供電，內嵌的NIOS II嵌入式處理器，外接雙端口RAM和可配置存儲器，集可編程控制邏輯和硬件CPU為一體，運用FPGA芯片+NIOS II的模式，能出色的協調好整個系統完成高精度定位控制。該FPGA硬件資源豐富，內含35個嵌入式乘法器、484K比特的嵌入式存儲器以及33K邏輯單元，能夠高速、高效地對AD7634模數轉換模塊和AD5764數模轉換模塊實現時序控制，同時PID控制器也是由FPGA硬件資源實現的;NIOS II是altera公司推出的第二代嵌入式處理器，屬于32位RISC，設計簡單靈活，系統維護升級方便，設計中反饋量數據的采集、雙端口緩存和W5300網絡傳輸模塊等控制過程都由其實現。

2.2 網絡模塊

W5300是一款0.18μm CMOS工藝的單芯片器件，內部集成10/100M以太網控制器、MAC和TCP/IP協議棧，網絡傳輸速度可高達50Mbps，可以非常簡單而快捷地實現Internet連接。其主要由4部分組成:硬件TCP/IP核、微控器接口單元、發送/接收數據緩沖區和以太網物理層單元。設計中W5300采用TCP/IP協議，定位于服務器，通過OP_MODE引腳設置為全功能自動握手;使BIT16EN=1，設置其數據總線為16位。在SOPC為W5300掛載一個控制接口，通過片選信號CS、寫使能信號WR、讀使能信號RD、數據位DATA和地址位ADDR對W5300按照時序初始化以及服務程序的編寫;將主機接口模式指定為直接映射模式，即MR(IND)=0;根據實際網絡的基本信息，將IP地址、子網掩碼、網關和硬件地址準確設置，對應 COMMON寄存器中的 SIPR、SBUR、GAS和SHAR寄存器;訪問寄存器 TMSR0、RMSRO，設置SOCKET0內部TX/RX存儲器大小分別為2K，W5300內部RX/TX數據存儲器保持默認設置，即15～8存儲單元為RX存儲器，7～0存儲單元為RX存儲器;將中斷屏蔽寄存器IMR中S0－INT令為1，即打開SOCKET0的中斷;將SOCKET0中斷屏蔽寄存器S0－IMR(7～0)令為1，使發送完成中斷，接收數據中斷，斷開連接中斷和連接中斷能正常接收。設置Sn－MR，使網絡工作于TCP模式，網絡即可如流程圖圖2進行網絡通訊[3－6]。

圖2 服務器操作流程

2.3 定位控制算法

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，因為其魯棒性好、可靠性高及算法簡單，被廣泛應用于運動、過程等連續領域，特別是對于能建立精確模型的數學確定性系統。PID控制器主要由比例環節，積分環節，微分環節3部分組成。比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性[7]。其核心算法的規律如下:

式(1)是在連續系統的實現，其中e(t)為輸入位置參數r(t)與反饋量輸入y(t)的差值，即系統偏差;u(t)是為控制器輸出，即被控對象的控制量;kp為比例系數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數在數字系統運用時，將其離散化得到:

式(2)中有大量累加，會出現多項之前的數據，造成大量計算，將其采用增量式優化計算，得:

其結構如圖3所示，將輸入的預定值和反饋信號的差值進行比例、積分、微分的計算，然后相加，對被控對象進行控制，同時經被控對象的輸出反饋給輸入進行差運算，得出誤差因子，再送給比例、積分、微分模塊，準備下一次的計算。

系統中，用FPGA實現該算法時，其參數由計算機通過網絡模塊配置，在QUARTUS II中使用原理圖和VHDL輸入，調用IP核中的乘法器和加法器，加上其并行處理的特點，使得PID算法運行十分高速，系統實時性強。增量式PID算法只有3個誤差數需要處理，占有資源下降，大大化簡計算，減少計算產生的時延。反饋量A/D采集和控制器的D/A輸出均采用高性能器件以及FPGA中實現PID算法中乘法舍位的控制保證了算法的高精度數據條件[8]，PID控制算法中通過經驗以及反復試湊達選擇最佳參數，控制超調量、增加響應速度和減少穩態誤差[9－12]。

圖3 PID結構框圖

2.4 數模轉換和模數轉換

高性能模數和數模轉換模塊對信號進行高質量的轉換，在高精度系統中起著至關重要的作用。設計中分別采用ADI公司的AD7634和AD5764作為信號轉換器件。AD7634模數轉換芯片是一款18位高精度、最高670kSPS、差分輸入的高性能芯片，輸入電壓可以是+5V～－5V或0～10V。AD7634的輸入雙端差分信號，需要將單端信號進行調理，經過射隨器實現阻抗匹配和反向加法器輸出差分信號[13]。加入磁隔離電路隔離A/D采集單元和中心處理單元，模擬電路部分應該盡量靠近，模擬電路和數字電路應該隔離，抑制干擾。基準電壓源由ADI公司的ADR02提供5.0V精密基準電壓源。令AD7634芯片管腳MODE0=0，MODE1=1，使其輸出數據位為8位;令管腳WARP=IMPULSE=1，將其設置為速率為570kSPS的正常模式。信號下降沿啟動轉換，信號BUSY的下降沿表示數據轉換完成，此時表明AD7634開始向FPGA發送數據，然后FPGA通過兩個地址線(A0、A1)控制AD7634將采集到的18位數據分3次發送到FPGA，當數據發送完畢，AD7634自動將BUSY信號拉高，從而完成一次18位數據的傳送[14]。

數模轉換芯片采用4通道、16位、串行輸入、雙極性電壓輸出型芯片AD5764，內置輸出放大器，工作的時鐘頻率最高可到30MHz。輸出端需要加入調理電路，用射隨器實現阻抗匹配，用加法電路實現輸出電壓+5V～－5V或0～10V可選。和AD7634模塊一樣，AD5764模塊需要加入磁隔離電路隔離A/D采集單元和中心處理單元，模擬電路盡量靠近，模擬數字電路進行隔離。基準電壓源由ADI公司的ADR02提供5.0V精密基準電壓源。由于其輸入移位寄存器有24位，所以當時鐘經過24個時，SYNC必須拉高，使輸入移位寄存器更新，LDAC置為低電平來更新數據寄存器和輸出端[15]。

3 測試

整個系統的功能是高精度定位控制，因此測試主要圍繞高精度進行。由于系統比較復雜，所以將其分模塊進行測試。

對AD7634模塊測試時，為了驗證模擬信號采集能得到正確的數字信號，模塊選用+5V～－5V檔位，用標準信號源產生一個正弦信號作為模擬信號的輸入，測試模塊的輸出管腳與FPGA相連，用Quartus II自帶的SingalTap嵌入式邏輯分析器觀察分析本模數轉換模塊的輸出。記錄的一次數據如圖5，可看出AD7634得到的數字結果與輸入的模擬信號幾乎一致，得到的數字量準確，且精度高，為高精度定位提供了可靠的數據。

圖4 AD7634模塊測試圖

對AD5764模塊測試時，為了驗證數字信號能正確的轉換為模擬信號，模塊選用+5V～－5V檔位，使用AD5764自帶的回讀模式，使FPGA輸出一個已知的、確定的數字量作為測試模塊的輸入，模塊將該輸入轉換輸出成直流電壓，然后將的AD5764模塊的SDO引腳將數據串行連接到FPGA，同樣用Signaltap嵌入式邏輯分析器觀察回讀模式的數據，同時通過高精度的毫伏表來測量輸出直流信號值大小的變化。表1和表2為測試記錄的一組數據，當輸入的數字量增加1輸出的模擬量增加0.0001多，準確度和精度都非常高，通過換算后，輸入和輸出完全對應，即模塊正常工作。

表1 AD5764模塊測試數據

表2 AD5764模塊測試數據

在PID控制模塊的測試中，為了驗證輸出能迅速穩定到設定參數，用Signaltap嵌入式邏輯分析器觀察分析輸入輸出數據，如圖6，輸入sin是設定的一段連續快速變化的信號，輸出信號yout是被控對象的反饋信號。PID控制器經過非常小一段時間的跟蹤，輸出信號yout馬上就定位到輸入設定值，基本無振蕩過程，數據反映出系統精度指標高，且反應速度快，測試通過，本模塊正常工作。

圖5 在PID控制模塊測試圖

網絡模塊最重要的是能正常、穩定的傳輸數據，經過循環發送測試數據，網絡模塊工作符合要求。

綜上所述，系統各模塊均測試通過，設計達到預期效果。

4 結束語

設計一種以ALTEAR公司FPGA芯片EP2C35F484C8為核心處理器，使用W5300模塊實現網絡通信，PID算法實現閉環反饋控制，配以高精度數模、模數轉換器件的系統。通過以太網能實現多平臺組網，可以實現位置參數遠距離設置、位置數據遠距離獲取，解決了現有多通道定位控制裝置組網能力、遠程控制能力十分有限的問題，大大提高現場使用的靈活性和便利性，非常適合大型、復雜平臺的組網和遠距離定位控制，有較強的實際運用價值。

[1] 唐惠玲，劉學軍.基于以太網控制系統的實時性分析[J].鐵道通信信號，2004，40(8):13－14.

[2] 宋紹劍，朱慶華，林小峰.基于以太網的神經網絡自適應PID控制系統[J].工業控制計算機，2004，17(7):64－65.

[3] High-performance Internet Connectivity Solution W5300 ，WIZnet Co.Inc[Z].2008.

[4] 張勇，甄國涌，王麗莉，等.基于W5300的以太網數據傳輸硬件設計及優化[J].化工自動化及儀表，2011，38(8):989－991.

[5] 譚開洪.基于W5300的嵌入式以太網接口設計[J].中國西部科技，2010，9(9):49－50.

[6] 陳嫣然，張會新，鄭燕露.基于以太網的高精度測試系統設計[J].儀器儀表裝置，2012，(2):12－15.

[7] 李劍，劉渭苗，徐長安，等.模糊PID方法用于液壓比例閥的高精度定位控制[J].重型機械，2012，(1):14－16.

[8] 段彬，孫同景，李振華，等.快速浮定點PID控制器FPGA的研究與實現[J].計算機工程與應用，2009，45(36):202－206.

[9] 段嫦娥.變參數PID控制器的探討[J].重工與起重技術，2008，(4):18－20.

[10] 陳晉煒，周玉潔.數字PID控制器的FPGA實現及軟硬件協同仿真[J].信息技術，2005，(9):38－40.

[11] 陳昭明，白向林，龔曉宏.基于FPGA的數字PID控制器設計[J].重慶科技學院學報，2010，12(2):149－151.

[12] Ming-Tzu Ho，Chia-Yi Lin.PID controller design for robust performance[J].IEEE Transactions on Automatic Control，2003，48(8):1404－1409.

[13] 信美華，肖憲東，周洪軍，等.基于AD7634的多道脈沖幅度分析器設計[J].儀器儀表裝置，2013，(1):158－159.

[14] Analog Device Inc..AD7634:18-Bit，670 kSPS，Differential Programmable Input PulSARADC Data Sheet[Z].2013.

[15] Analog Device Inc..AD5764:Complete Quad，16-Bit，High Accuracy，Serial Input，Bipolar Voltage Output DAC Data Sheet[Z].2011.