基于FPGA的數控電箱專用綜合檢具設計

宿文玲， 于海宏

（1.黑龍江財經學院，哈爾濱 150025;2.哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

在當今的檢測測量儀器領域，數控系統已完全普及，市場上幾乎所有的主流測量儀器都具有一套能實現全自動測量功能的數控系統，而且由于測量儀器功能要求特殊、產品批量小的特點，所以這些測控系統都是由各個生產廠家根據所產儀器的具體功能獨立開發，這種自主開發的數控系統可以最大限度地滿足儀器的功能需求，具有很高的靈活性。但與此同時，也就要求生產廠家要具備很好的數控系統生產能力，這樣才能保證配套數控系統的儀器具有可靠的穩定性，由此可見，為生產現場配置一套輔助專用檢具就變得十分重要，本文就介紹了一種數控電箱專用檢具的設計過程。

1 總體方案設計

考慮到專用檢具的使用條件及功能需求，在制定總體研發方案任務書時，規定該套專用檢具應具備如下特定功能：1）檢具應便于操作，有交互操作界面。2）檢具的檢測功能應全面，尤其是例如光柵信號、伺服電動機控制反饋信號、操作舵模擬信號以及各種I/O信號都要能實現檢測。3）檢具所有的電源與接口應與數控電箱內被檢測板卡一致，以便于簡化檢測過程的操作。4）在滿足基本功能的前提下，檢具主體電路設計應盡量簡潔，具有一定靈活性。因此核心信號處理電路將采用FPGA可編程門電路芯片完成，這使得檢具主板的主要數字信號處理和運算功能將通過軟件編程的形式實現，使板卡擺脫了硬件的限制，具備很高的靈活性。5）板卡設計應充分考慮可調試性和抗干擾能力。

2 檢具的具體設計

根據總體設計方案所要達到的設計目標，參照板卡設計的常規設計流程，從如下幾個方面開始檢具的具體設計。

2.1 檢具主板原理圖設計

檢具主板是整套檢具的主體，檢具各種檢測功能的實現，以及與操作者間的交互界面都由檢具主板完成,因此我們將檢具主板分為檢測功能模塊、接口模塊、電源模塊和操作交互界面四大模塊進行原理圖設計，這樣做可使設計思路更加清晰，同時分模塊設計也大大降低了設計難度。

2.2 檢具主板FPGA芯片選型及相關設計

檢具主板所要具備的檢測功能較多,若每個檢測功能都設計相應的硬件電路,不僅工作量較大,檢具的功能也將受到限制,因此綜合考慮后決定選用FPGA芯片作為核心處理芯片，所有檢測功能都通過FPGA芯片內部程序實現。根據以往設計案例的經驗,我們選用了應用比較多的Altera公司出品的CycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C20Q,這款FPGA芯片內部集成有程序存貯模塊,這樣在滿足設計功能的同時，節省了一片外置EEPROM芯片，減少了布線空間和PCB板布線工作量。通過Quartus軟件給FPGA芯片分配管腳定義時,要充分考慮到后期PCB板布線的合理性，將相同功能的管腳定義到芯片同側。

FPGA芯片按設計分配完管腳功能后,檢具主板設計功能主要是靠芯片內部的程序實現,因此程序設計也是整套檢具研發的重點與難點,對比常用的程序設計方法,顯然采用編程語言設計結合圖形設計的混合設計方法更具優勢,我們將每個檢測功能用Verilog HDL編程語言實現后,封裝成特定的圖形功能模塊,再結合Quartus軟件自帶的通用圖形功能模塊實現設計目標,采用這種混合設計方法,整套FPGA程序呈圖像化的表現形式（見圖1）,這樣大大增強了程序的可讀性、可移植性，也降低了開發難度。

圖1 FPGA程序框圖

2.3 檢具主板電源模塊設計

在設計檢具電源模塊時考慮到數控電箱的工作環境，因此我們為檢具主板選擇與數控電箱相同的工作電源：+5 V、+12 V和-12 V，這樣在進行檢測時數控電箱與檢具可共用電源，減少電源種類，設計中每路電源在輸入后都要經過濾波電容和電感電容的濾波處理，避免電源對檢具的干擾。每路電源都串聯了可復位保險絲，可保證若被檢測數控電箱電源電路存在故障時檢具不會被燒毀。檢具主板除基本工作電壓外，我們還利用電源轉換芯片將+5 V電源轉換為+3.3 V低壓電源，用于保證FPGA芯片和液晶屏ARM控制芯片對于低壓電源的需求。

2.4 輔助功能板卡的設計

數控電箱在檢測過程中，我們應盡量模擬實際的使用情況，針對數控電箱的各種功能及工作特點進行檢測，因此在數控電箱內部被檢測板安裝到檢具主板上后，為了模擬儀器工作狀態時的各種信號，我們還需設計多個輔助電路板實現檢測功能。

1）I/O接口檢驗及操作舵調整板。本板卡模擬了儀器的操作面板，與儀器的實際使用情況相同，板卡通過一根DB37芯插頭與安裝在檢具主板上的數控電箱的面板接口相連，在此輔助板卡上布置了4個按鍵、4個LED指示燈和4個旋轉電位器，分別模擬操作面板上的功能按鍵、按鍵指示燈和儀器模擬操作舵的4個方向，通過輔助板卡與檢具主板相應按鍵和LED指示燈的操作，可判斷數控電箱與操作面板相關的輸入輸出信號是否工作正常。另外，因為儀器使用的是模擬操作舵，所以需要在數控電箱相關電路調整操作舵模擬量的放大比，檢測時通過檢具主板的液晶屏，將檢測程序調整到“操作舵檢測”項目，通過輔助板卡上的旋轉電位器模擬操作舵在極限位置所發出的模擬量，調整數控電箱內部的放大比電位器完成操作舵的調整。

2）電動機驅動器信號接口檢測板。數控電箱上面板有4個伺服電動機驅動器接口，用于給儀器4個坐標軸的伺服電動機提供控制電壓、接收驅動器報警信號，同時給驅動器發出“使能”、“嵌位”、“報警清除”等信號，因此在本檢驗板上，我們設置了多個按鍵及LED指示燈，通過與檢具主板的配合操作檢測數控電箱與驅動器間各個I/O信號是否工作正常。同時還設置了數碼顯示管，當我們通過檢具主板液晶屏將檢測程序調整到“模擬量輸出檢測”后，檢測主板發出±10 V區間的變化電壓，若本輔助檢測板上的數碼管能顯示相應的電壓值，則證明數控電箱伺服電動機運動控制電壓接口工作正常。

3）光柵信號接口檢測板。對應每個運動軸的電動機接口，數控電箱還有4路光柵接口，用于接收儀器各軸光柵編碼器信號，與其它輔助檢測板卡相同，將板卡與固定在檢具主板的數控電箱連接后，將檢具主板的工作程序通過TFT液晶顯示調整到“光柵檢測”功能，通過在輔助檢測板上設置的按鍵模擬光柵報警和光柵零位信號，同時通過特定程序使輔助檢測板上設置的單片機發出差分數字信號模擬光柵信號，若檢具主板液晶屏上能正常顯示光柵計數，證明數控電箱光柵接口電路正常。

完成綜合檢具主板及各個輔助功能板的原理圖設計后，按常規設計流程開始相應PCB板卡的設計，根據以往設計經驗，在PCB板卡的設計過程中我們將各元器件按信號功能就近布置，方便PCB板信號線的布置；電源線與地線進行了加粗處理，同時各種信號接口封裝樣式都與數控電箱內部被檢測板卡相同，提高檢具的易用性。

3 檢具的試制與測試

首套檢具PCB板制板完成后，按照裝配圖逐一焊接電氣元件，同時觀察元件封裝是否有不便于焊接操作的地方，以便在下次生成前進行修改完善。所有檢具電路板完全焊接后，先對電源檢測確認無誤，按照總體設計方案的項目，對設計目標功能進行了逐一檢測，經過多次反復的調試修改，檢具主板（見圖2）和輔助功能板都通過了測試，實現了最初的設計目標，且操作簡單易學，信息提示清晰準確。利用這套檢具檢測多套新裝配的數控電箱，實踐證明，經過檢具檢測的數控電箱在裝配到儀器主機上后，首次通電合格率極大提高，即使有故障的數控電箱，在檢具的幫助下電工也能快速地找到故障點并加以解決。

圖2 檢具主板圖

4 結語

這套專用綜合檢具的研發成功，可使裝配電工在數控電箱檢修時,不用再像以前那樣將電箱帶到生產現場，連接儀器主機調試，而是利用這套檢具在電工生產工段快速、準確地判斷數控電箱是否存在故障，并幫助電工診斷故障點。這套檢具極大地提高裝配電工的生產效率，具有很高的實用價值。

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