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基于PCI总线数据采集与运动控制系统研究

作　者: 余昌盛
导　师: 许力
学　校: 浙江大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: PCI-bus CPLD DSP WDM 运动控制器设备驱动程序控制器快速原型化 Real-Time Workshop MATLAB/simulink 电动机变频调速一矛·
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 8次
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内容摘要

PCI总线作为目前计算机上流行的高速外设接口总线,在工业自动化领域,计算机上进行地数据采集或者运动控制基本上也都是通过PCI总线设备来实现的。本文对基于PCI总线计算机数据采集和运动控制系统的软硬件设计进行讨论和研究,分下面三部分:PCI-bus数据采集卡和PCI-bus运动控制卡设计、Windows平台板卡WDM 设备驱动程序开发、Matlab上数据采集和运动控制程序开发。在PCI-bus数据采集卡硬件设计方面,提出了模拟信号调理和数据采集模块设计新方法,利用CPLD设计多路抗干扰旋转编码器接口电路,并开发出PCI-bus数据采集卡。在PCI-bus运动控制卡硬件设计方面,以TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为运动控制核心芯片,对高性能的基于PCI总线通用性运动控制卡设计方法进行讨论,并开发了PCI-bus运动控制卡。在Windows平台板卡的WDM设备驱动程序开发方面,对Windows平台的WDM驱动程序进行研究,提出了提高实时性的驱动程序设计方法,分别利用DriverStudio和DDK开发出数据采集卡驱动程序和运动控制卡驱动程序。在Matlab环境下数据采集和运动控制程序开发上,本文对Matlab环境下实时控制的两种实现方法和需要解决的关键技术进行讨论。并且以实际的倒立摆系统和旋转位置伺服控制系统为对象,用组合变量的模糊控制策略在Matlab环境下编程实现对它们的实时控制,取得了非常好的控制效果,证明了Matlab环境下进行复杂非线性系统的实时控制是可行的。另外,针对自己设计的运动控制卡,在Matlab环境下开发了Embedded Target for TI C2000 DSP实时控制的Simulink模块库,并在Matlab上开发了交流异步电动机Sine PWM、Space Vector PWM以及闭环磁场定向算法的变频调速控制程序。重要的是,不但可以利用这些Simulink模块可以方便的实现交直流电动机变频调速实时控制功能,而且还可以利用Matlab的Real-Time Workshop将开发的电动机控制算法生成C代码文件,并创建CCS工程,可以直接移植到DSP硬件上实现控制功能。利用此方法,可以大大加快电动机控制算法开发过程。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-4
目录  4-7
第一章绪论  7-14
  1．1 概述  7-8
    1．1．1 基于 PCI总线数据采集系统  7-8
    1．1．2 基于 PCI总线运动控制系统  8
  1．2 研究现状  8-11
    1．2．1 硬件电路设计  8-9
    1．2．2 设备卡驱动程序设计  9-10
    1．2．3 用户态应用软件设计  10-11
  1．3 本文所做工作及组织结构  11-14
    1．3．1 本文所做的主要工作  11
    1．3．2 主要创新点  11-12
    1．3．3 本文组织结构按排  12-14
第二章 PCI-bus数据采集卡硬件设计  14-27
  2．1 PCI-bus相关技术  14-17
    2．1．1 PCI-bus简介  14
    2．1．2 PCI-bus接口电路 FPGA设计方案  14-16
    2．1．3 PCI-bus接口电路 ASIC设计方案  16-17
  2．2 本文设计的数据采集卡  17-27
    2．2．1 数据采集卡 PCI-bus接口设计  17-21
    2．2．2 数据采集卡数据采集模块设计  21-22
    2．2．3 旋转编码器抗干扰接口电路设计  22-26
    2．2．4 基于电压频率变换原理的AI测量方法  26-27
第三章 PCI-bus运动控制卡硬件设计  27-38
  3．1 运动控制技术  27-33
    3．1．1 运动控制技术发展现状  27-29
    3．1．2 运动控制卡的应用及发展  29-31
    3．1．3 运动控制卡设计方案比较  31-33
  3．2 本文设计的运动控制卡  33-38
    3．2．1 PCI-bus接口设计  34-35
    3．2．2 运动控制器设计方法  35-37
    3．2．3 运动控制算法设计  37-38
第四章 PCI-bus设备驱动程序设计  38-52
  4．1 设备驱动程序相关  38-42
    4．1．1 WDM设备驱动程序简介  38-41
    4．1．2 使用 DDK开发 WDM设备驱动程序  41
    4．1．3 利用 DriverStudio开发 WDM设备驱动程序  41-42
    4．1．4 WDM设备驱动程序调试及安装  42
  4．2 本文开发的设备驱动程序  42-52
    4．2．1 设备驱动程序设计目标  42-44
    4．2．2 数据采集卡 WDM设备驱动程序 Driverstudio开发  44-48
    4．2．3 运动控制卡 WDM设备驱动程序 DDK开发  48-52
第五章数据采集系统应用软件设计  52-63
  5．1 基于 Windows平台实时控制关键技术  52-55
    5．1．1 利用通用定时器提高实时性的方法  53-54
    5．1．2 利用内核和硬件提高实时性的方法  54-55
  5．2 基于 Matlab的数据采集和实时控制实现方法  55-57
    5．2．1 基于 Matlab的实时控制总体方案  55-56
    5．2．2 Matlab访问硬件的 Mex驱动程序开发  56-57
    5．2．3 利用多媒体定时器提高 Matlab控制的实时性  57
  5．3 基于 Matlab环境下 M文件的倒立摆实时控制系统  57-60
    5．3．1 倒立摆控制系统  58
    5．3．2 Matlab环境下多媒体定时器和硬件驱动  58
    5．3．3 模糊变量组合的专家模糊控制  58-59
    5．3．4 倒立摆系统实时控制结果  59-60
  5．4 基于SIMULINK和 RTW的旋转位置伺服实时控制系统  60-63
第六章运动控制系统应用软件设计  63-82
  6．1 利用Matlab 开发运动控制算法的强大优势  63-65
    6．1．1 simulink工作机理  63-64
    6．1．2 Matlab中 Real Time workshop(RTW)简介  64-65
  6．2 如何利用 Matlab快速开发运动控制算法  65-69
    6．2．1 何为控制算法的快速成型  66-67
    6．2．2 利用 RTW快速成型过程  67-68
    6．2．3 Simulink模块的 S-Function驱动程序开发  68-69
  6．3 本文设计的基于 Matlab的运动控制程序  69-82
    6．3．1 开发的 Embedded Target for TI C2000 DSP Simulink Blocks  69-71
    6．3．2 如何利用 MATLAB来调试 CCS中的程序  71-73
    6．3．3 如何完成实时仿真到代码生成的过程  73-74
    6．3．4 Matlab环境下变频调速控制程序  74-79
    6．3．5 RTW生成的CCS工程 TM5320C2812代码结构分析  79-82
第七章结论及展望  82-85
  7．1 结论  82-83
  7．2 展望  83-85
参考文献  85-90
完成的论文和著作  90-91
致谢  91

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