基于FPGA的智能控制器設計及測試方法研究

摘要：通過(guò)模糊自整定PID控制器的設計，本文提出了一種基于VHDL描述、DSP Builder和Modelsim混合仿真、FPGA實(shí)現的智能控制器設計及測試新方法。首先，通過(guò)MATLAB仿真，得出智能控制器的結構和參數。然后，基于VHDL進(jìn)行智能控制器的數字化實(shí)現及其開(kāi)環(huán)測試。在此基礎上，通過(guò)分析一般智能控制器的測試特點(diǎn)，采用DSP Builder構建閉環(huán)測試系統，Modelsim運行DSP Builder生成文件來(lái)驗證QuartusII中所做VHDL設計的測試方法。實(shí)驗表明，該測試方法能有效模擬控制器的激勵輸入信號，適用于需閉環(huán)測試檢驗控制品質(zhì)的智能控制器設計。
關(guān)鍵詞：VHDL; FPGA; 智能控制器; 閉環(huán)測試; DSP Builder

1 引 言

隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增長(cháng)，超大規模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高，在一個(gè)芯片上完成系統級的設計已成為可能。FPGA固有的并行運算處理能力，使得它能夠提供各種數字化所需要的大量復雜運算,適合于設計一些對處理速度和實(shí)時(shí)性要求較高的智能控制器。近幾年，基于VHDL描述，FPGA實(shí)現的控制器設計研究比較活躍，如Torralba等人完成了4輸入、12個(gè)隸屬度、64條規則的模糊邏輯控制器的FPGA實(shí)現[1]，Cirstea等人基于FPGA設計模糊控制器，成功的用于變速器的控制[2]。另外，由于FPGA設計的靈活性和通用性，使得基于FPGA的控制器開(kāi)發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短。

由于FPGA在智能控制器方面的大量使用，設計后的測試便成了設計者在開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，同時(shí)，一種好的測試方法不僅能及早發(fā)現設計中存在的問(wèn)題，而且能提高設計的可靠性。目前基于VHDL描述的智能控制器測試一般是通過(guò)開(kāi)環(huán)時(shí)序仿真來(lái)驗證其邏輯設計的正確性，而對于一些輸入激勵信號不固定或比較多的智能控制器來(lái)說(shuō)，開(kāi)環(huán)時(shí)序仿真并不能確切模擬控制器的激勵輸入信號。由此，本文在開(kāi)環(huán)時(shí)序仿真的基礎上提出一種基于QuartusII、DSP Builder和Modelsim的閉環(huán)時(shí)序仿真測試方法，并借助于某一特定智能控制器的設計對該閉環(huán)測試方法進(jìn)行了較為深入的研究。

2  FPGA設計與測試平臺

研究采用QuartusII4.0、 DSP Builder3.0以及Modelsim SE6.0作為FPGA的設計及測試平臺。

QuartusII4.0是Altera公司的第四代可編程邏輯器件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供從設計輸入、設計編譯、

功能仿真、設計處理、時(shí)序仿真到器件編程的全部功能。同時(shí)，它可以產(chǎn)生并識別EDIF網(wǎng)表文件、VHDL網(wǎng)表文件和Verilog HDL網(wǎng)表文件，并且為其它EDA工具提供了方便的接口?？梢栽谏厦孀詣?dòng)運行其它EDA工具，包括Synplicity的Synplify/Synplify Pro、Mentor Graphics子公司Exemplar Logic 的LeonardoSpectrum以及Synopsys的FPGA CompilerII等。這些綜合軟件能以很高的效率將VHDL/Verilog設計軟件轉換為針對選定器件的標準網(wǎng)表文件。此外，QuartusII4.0里還集成了一個(gè)SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具，支持SOPC開(kāi)發(fā)[3]。

DSP Builder以Matlab/Simulink的Blockset形式出現，可以在Simulink中進(jìn)行圖形化設計和仿真，同時(shí)通過(guò)Signal Compiler可以將Matlab/Simulink的設計文件（.mdl）轉換成相應的VHDL文件（.vhd），以及用于控制綜合與編譯的TCL腳本[4]。

Mentor Graphics公司的Modelsim是業(yè)界中比較好的仿真工具，其仿真功能強大，支持模擬波形顯示，且圖形化界面友好，具有結構、信號、波形、進(jìn)程和數據流等窗口。

通過(guò)綜合使用上述三種平臺，可以很好的規劃設計流程，充分利用各個(gè)工具的優(yōu)點(diǎn)，提高開(kāi)發(fā)效率，所得的測試結果也更加可靠。

3 智能控制器的VHDL設計及測試特點(diǎn)

以模糊自整定PID控制器為例，其位置式控制算法為：

ui = Kp ei＋Ki T∑ei＋Kd/T（ei－ei-1）＋u0                                                                                      3.1

其中：Kp = kp＋tp