基于CPLD的喷油泵实验台转速测量系统设计

　　喷油泵试验台是专门的喷油泵工艺检修设备,随着电子技术的应用,喷油泵试验台得到了发展。传统上测量喷油泵实验台转速的方法是基于单片机的系统设计,由于单片机受时钟频率和若干指令运算的限制,测量速度较慢;通用计数器的工作频率不能太高; PCB的集成度不高,导致PCB面积大、信号走线长,易受外界干扰[1]。作者设计的测速系统,除了信号采集、速度显示和JTAG接口外,其余的全部在CPLD芯片内集成实现。使测速系统具有高速、高集成度、高可靠性的优点。

　　1　测量原理

　　转速测量系统采用计数法,如图1所示。

　　在CPLD芯片中完成各个模块设计,通过对时钟分频设计产生0·5Hz控制信号,当上升沿来时对被测信号开始计数。当电平为低电平时,将计数值输出,计数器清零,等待计数开始。

　　2　硬件电路设计

　　2·1　CPLD主控芯片

　　采用Altera公司的EPM7128S系列CPLD作为目标CPLD。Altera公司的EPM7128系列CPLD是基于第二代MAX结构体系的高性能EEPROM结构的CPLD,它完全符合IEEE 1149·1 JTAG边界扫描标准,具有5V ISP的功能;具有最小5ns的引脚的逻辑延时,最高175·4MHz的计数频率;引脚可配置为开漏输出。EPM7128S内部有128个宏单元、8个逻辑阵列块和2500个门电路[2]。

　　2·2　光电编码器采集信号

　　速度信号采集使用的是光电编码器EPC-755A,EPC-755A是美国ENCODER PRODUCTS公司生产的微型光电编码器,具有重量轻、体积小、耐碰撞、易安装等优点,其直径和长度均为38·1mm,采用能保证多年可靠工作的金属结构,具有多种灵活的安装方式,能大大降低安装成本。

　　2·3　外围电路设计

　　外围电路设计如图2所示。

　　根据国家标准,喷油泵试验台的最高转速为3 500r/min,选用4位8段数码管显示。EPC-755A光电传感器输出电路选择为带上拉电阻的NPN输出型,输出信号和CPLD芯片相连。

　　3　软件设计及模拟仿真

　　软件设计采用自顶向下模块化设计的思想,便于完成CPLD芯片内各模块的设计,完成整体功能的设计。CPLD内部框图如图3所示。

　　软件设计的主要任务使用VHDL语言描述转速测量的硬件电路,利用EDA开发工具Quartus II对VHDL的设计进行编译、适配、优化、逻辑综合,自动地把VHDL描述转变成门级电路,进而完成电路分析、纠错和验证、自动布局布线、仿真等各项工作[3-4]。用VHDL语言设计电路是利用硬件描述的方法,将系统功能通过目标器件表现出来。系统仿真结果如下所述:

　　3·1　鉴相模块

　　鉴相模块用来判断主轴的正反转,其仿真结果如图4所示。