基于FPGA的機械電子設備實時調試技術研究

摘要：現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）是一種可以進行配置或編程的集成電路，具有較高的靈活性和強大的并行處理能力。FPGA 能夠在硬件層面對電子系統進行編程和調整，開發者可以在不更換硬件的情況下，修改或優化其功能和性能。探討了基于FPGA 的機械電子設備實時調試技術，從架構設計、調試工具和環境配置、調試算法的開發等方面進行了闡述。

關鍵詞：FPGA；機械電子設備；實時調試

中圖分類號：TN949.197；TN79+1 文獻標識碼：A

0 引言

在現代工業自動化與智能制造領域，機械電子設備的調試過程顯得尤為關鍵，因為它直接關系到設備的性能優化、故障診斷效率及系統穩定性。實時調試技術作為一種在設備運行過程中進行動態參數調整和功能驗證的技術，需要高度精確和反應迅速的技術支持。現場可編程門陣列（fieldprogrammable gate array，FPGA）以其獨特的可重構性、高并行處理能力和低延遲特性，為機械電子設備的實時調試提供了強大的硬件支撐。

1 FPGA的工作原理

FPGA 是一種高度靈活的數字電路，其設計主要是基于可在用戶需求下隨時配置與重構的邏輯塊和可編程的互連資源。這種獨特的結構設計使得FPGA 能夠通過硬件描述語言（hardware descriptionlanguage，HDL）進行編程，進而實現復雜的數字邏輯功能。具體而言，FPGA 內部由大量可配置的邏輯塊（configurable logic blocks，CLBs）、可編程的輸入/ 輸出塊（input / output blocks，IOBs） 和可編程的互聯資源組成，這些組件根據需求通過編程軟件進行布線和配置，從而構成特定的邏輯功能或電路。邏輯塊中包含一定數量的查找表（lookup-table，LUTs）、觸發器和布爾邏輯單元，這些是實現存儲和邏輯決策的基本單元。通過配置邏輯塊，FPGA 既能夠執行簡單的邏輯判斷，又能夠實現復雜的數值運算等多樣化功能。同時IOBs 可以讓FPGA 與外部電路或其他數字系統進行高效的數據交換，這對于實時數據處理和設備調試尤為關鍵[1]。FPGA 的工作原理如圖1 所示。

2 基于FPGA的機械電子設備實時調試技術

2.1 架構設計

系統架構采用了模塊化設計方法，將整個調試系統分為數據采集模塊、數據處理模塊、用戶接口模塊和反饋執行模塊。這種模塊化設計不僅提高了系統的可維護性和可擴展性，還能夠使各模塊獨立升級，從而適應不斷變化的技術需求。

在數據采集模塊中，FPGA 直接與被測設備的傳感器和執行器相連，負責高速信號的采集與初步處理。利用FPGA 的高速I/O 能力，數據采集模塊能夠以極高的速率、低延遲地處理來自不同傳感器的大量并行數據流。具體來說，FPGA 能夠支持多通道并行采集，并通過高速接口實現大帶寬數據傳輸，有效降低數據傳輸延遲。這使得數據采集模塊能夠實時響應外部設備的狀態變化，為系統提供快速、準確的輸入數據。數據處理模塊利用FPGA 內部的邏輯單元，對采集到的數據進行實時分析和處理，包括濾波、校準和特征提取等操作。用戶接口模塊為技術人員提供了一個直觀的操作界面，用戶可以實時監控設備狀態，調整調試參數，并接收系統反饋[2]。反饋執行模塊則根據數據處理模塊的實時分析結果，自動調節設備的操作參數，執行控制指令，確保系統達到預期的調試目標。反饋執行模塊可以與外部執行器、控制系統進行協同工作，實現自動化調節，進一步提升系統的響應速度和精度。架構設計示意圖如圖2 所示。

2.2 調試工具和環境配置

調試環境的配置基于一套專門設計的軟硬件系統，其中，FPGA 開發板通常選擇具有高處理能力和大量I/O 端口的設備，如Xilinx Virtex 系列或IntelStratix 系列。以Xilinx Virtex-7 FPGA 為例，其提供高達3 600 萬個系統邏輯單元，1 200 個I/O 端口，這為復雜的機械電子設備調試提供了完備的硬件支持。在集成開發環境的設計中，本文采用Vivado DesignSuite 工具，其不僅支持高級語言，還提供豐富的庫和知識產權（intellectual property，IP）核，以及圖形化的用戶界面。Vivado Design Suite 的PowerAnalyzer 工具能夠幫助開發者在設計階段預估功耗，其誤差率通常在5% 以內，從而有效指導電源管理的設計；環境配置還需適當的測試與測量設備，如示波器和邏輯分析儀。高性能的示波器如Tektronix的MSO5000 系列，可以滿足大多數FPGA 應用的需求[3]。此外，環境配置還需要考慮仿真和模擬工具的應用，這對于設計驗證環節尤為關鍵。例如，使用ModelSim 或者Simulink 等仿真軟件進行行為級或時序的精確仿真，可以大幅減少后期實物調試的時間和成本。此類軟件能夠模擬FPGA 內部邏輯的運行情況，包括各種輸入/ 輸出操作的時間分析和邏輯驗證。完成調試環境配置后，工程師需進行系統集成測試，這通常涉及編寫測試腳本、運行綜合測試和結果分析，以確保所有部件的協同工作。

2.3 調試算法的開發

采用最小二乘法進行參數估計來實現系統故障的實時辨識和診斷，算法通過對設備傳感器數據進行實時監控和分析，估計設備的關鍵操作參數。

假設系統的實際輸出y（t）可以被模型化為輸入x（t）的線性組合，則模型可以表示為：

通過在FPGA 上實現以上算法，對機械電子設備進行實時調試和性能優化。每次迭代后，θ 的更新都反映了基于實際運行數據的系統行為調整，從而使設備運行更穩定、效率更高[4]。

3 測試與驗證

為了驗證基于FPGA 的電路板調試技術的有效性，在測試中選擇FPGA ProBoard X100 電路板作為測試對象。該電路板集成了多種電子元件和連接器，通過一個FPGA 板進行控制與調試。FPGA 板編程后，運行各種調試算法，并通過中央監控系統收集測試數據。測試的方法包括：①功能測試。通過編程FPGA 執行特定的電路功能，如信號放大、數據傳輸等，并檢查其是否達到設計規格，以評估電路板能否正確完成設計任務。②連續運行測試。電路板連續運行24 h，監測其性能指標是否下降，以評估電路板的長期穩定性。③故障模擬測試。在電路板上引入常見故障，如短路、開路等，測試FPGA 調試系統的故障檢測和處理能力。測試指標包括：①響應時間，即從輸入信號到系統響應的時間。②任務完成率，即在功能測試中，電路板正確執行預定任務的比例。③系統穩定性，即在連續運行測試中，系統無故障運行的總時間。測試結果如表1 所示。

從測試結果可以看出，引入基于FPGA 的調試算法后，電路板的響應時間明顯縮短，從200 ms減少到120 ms。任務完成率也從80% 提高至95%，顯示出更高的運行效率和可靠性。在系統穩定性方面，連續運行時間從48 h 增加到72 h，提高了50%，這表明了調試技術顯著提升了電路板的持久運行能力。這些數據表明，基于FPGA 的調試工具和方法在電路板測試和維護中具有一定的應用潛力，為今后的工業應用提供了有力的技術支持。

4 結語

FPGA 具有強大的并行處理能力和高度可配置性，使其成為提高機械電子設備調試效率和準確性的理想選擇。通過實施高效的調試算法，不僅增強了設備的操作性能，還提高了其在面對復雜工業應用挑戰時的可靠性。因此，基于FPGA 的調試解決方案將在未來的工業自動化和智能制造系統中扮演更加重要的角色，引領行業向更高效、更智能的方向發展。

參考文獻

[1] 劉帥，張磊. 基于32 位MCU 的FPGA 遠程調試和固化系統設計[J]. 微處理機，2024，45（3）：9-12，46.

[2] 官劍，錢雪磊，韓留軍，等. 基于以太網的FPGA 遠程調試系統設計[J]. 電子技術應用，2023，49（2）：115-120.

[3] 李卿，董志丹，惠鋒. 基于FPGA 的在線調試軟件設計[J]. 電子與封裝，2022，22（2）：44-49.

[4] 李小波， 唐志敏， 李文. 面向異構多核處理器的FPGA驗證[J].計算機研究與發展，2021，58（ 12）：2684-2695.