【正文】 品。如車輛的里程表、車速表等。課題以FPGA為中心，設(shè)計(jì)的等精度測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價(jià)值。因此，本課題的目的是：對(duì)各種測(cè)量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，利用FPGA設(shè)計(jì)一種等精度測(cè)速系統(tǒng)，從提高測(cè)量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實(shí)際使用提供借鑒。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測(cè)量得到普遍應(yīng)用，特別是FPGA對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，使得全數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)越來(lái)越普及，其轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。有效地防止了在高風(fēng)速起動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)因超過(guò)并網(wǎng)而飛車造成的并網(wǎng)失敗[2]。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)控制中，變M/T法能夠較好地滿足并網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度要求。自動(dòng)并脫電網(wǎng)的主要根據(jù)是發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，采用準(zhǔn)確、快速的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法尤為重要。自然界的風(fēng)速風(fēng)向變化是難以預(yù)測(cè)的隨機(jī)變量，加上葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的巨大慣量和強(qiáng)電磁干擾。主葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到40rpm時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，應(yīng)并入電網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)脫離電網(wǎng)。（2） 變M/T法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制中的應(yīng)用發(fā)電機(jī)葉輪吸收的功率，一部分用來(lái)克服葉輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｋS著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但它的控制技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)控制系統(tǒng)造價(jià)較高，在某些領(lǐng)域短時(shí)間內(nèi)還難以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了。下面列舉二例加以說(shuō)明。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用的前景[1]。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測(cè)量 等精度 FPGA ABSTRACTThis article narrated the tachometric survey principle and tachometric survey several monly used methods, has analyzed each method in the survey principle and the characteristic, designs one kind based on FPGA and so on precisions to measure the fast system. Elaborated in detail and so on precisions measured the fast system39。結(jié)果證實(shí)該方法具有電路簡(jiǎn)單、速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。硬件系統(tǒng)主要由脈沖信號(hào)產(chǎn)生、脈沖信號(hào)處理和顯示模塊組成。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文摘 要本文敘述了轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理及轉(zhuǎn)速測(cè)量的幾種常用方法，分析了各種方法在測(cè)量上的原理和特性，設(shè)計(jì)出一種基于FPGA的等精度測(cè)速系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了等精度測(cè)速系統(tǒng)的工作原理和速度采集方法，并進(jìn)行了方案論證和誤差分析。軟件部分采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各功能模塊設(shè)計(jì)，在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行仿真、測(cè)試。具有一定的應(yīng)用價(jià)值。s principle of work and the speed gathering method, and has carried on the project concept demonstration and the error analysis. The hardware system mainly has, signal impulse processing and the display module by the signal impulse is posed. The software part uses the VHDL language to realize various functional module design, in QuartusⅡDevelops in the platform to carry on the simulation.The result confirmed that this method has the electric circuit to be simple, the speed is quick, the precision is high, stability good and so on merits. Has certain application value.Key words: Speed Measurement Precision FPGA目 錄第一章 緒論 11. 1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展 11. 2轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用 11. 3課題研究目的和意義 2第二章 FPGA技術(shù)介紹 4 FPGA概述及特點(diǎn) 4 FPGA設(shè)計(jì)語(yǔ)言介紹 5 Quartus II介紹 7第三章 基于FPGA的轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 9 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 9 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 93. 3 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成 11 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集 12 整形電路 12 FPGA 13 顯示電路 13第四章 等精度測(cè)速原理 14 等精度測(cè)頻原理及誤差分析 14 基本性能指標(biāo) 17第五章 硬件電路設(shè)計(jì) 18 FPGA電路設(shè)計(jì) 18 光電傳感器 18 整形電路 18 EPlC6Q240C8N芯片介紹 19 FPGA測(cè)頻主系統(tǒng) 19 專用模塊測(cè)試控制信號(hào)說(shuō)明 20 液晶顯示介紹 21第六章 軟件設(shè)計(jì) 22 FPGA功能模塊 22 測(cè)頻/測(cè)周期的實(shí)現(xiàn) 22 計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì) 23 控制模塊設(shè)計(jì) 23 脈寬寬度測(cè)量和占空比測(cè)量模塊設(shè)計(jì) 24 FPGA整體仿真 25結(jié)論 26參考文獻(xiàn) 27 31 第一章 緒論1. 1轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過(guò)模擬測(cè)速法（如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得）、同步測(cè)速法（如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀）以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式（利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等）、電容式（對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制）等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來(lái)發(fā)生脈沖信號(hào)。加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域等到了廣泛的應(yīng)用。1. 2轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，有重要的意義。（1） 轉(zhuǎn)速測(cè)量在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，易于在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以長(zhǎng)期以來(lái)在要求調(diào)速指標(biāo)較高的場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用。調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，所用的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，可達(dá)到1000～4000Hz，電流易連續(xù)，諧波少，脈動(dòng)小，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而調(diào)速范圍寬；調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動(dòng)系統(tǒng)中。葉輪通過(guò)硬質(zhì)齒面增速齒輪箱帶動(dòng)4極200kW異步發(fā)電機(jī)。對(duì)合閘時(shí)具有大電流沖擊特性的異步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，除采用軟切入并網(wǎng)技術(shù)外，還應(yīng)滿足在同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)切入的嚴(yán)格要求。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全并脫電網(wǎng)是風(fēng)機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)。用變M/T法測(cè)速，以4個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)脈沖(m1=4)為一個(gè)測(cè)算周期。同時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷的提高，4個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖之間的時(shí)間總和相應(yīng)減少，測(cè)算周期也相也就是應(yīng)縮短，這也正好滿足發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量快速性的要求。1. 3課題研究目的和意義轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，其測(cè)量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。并從實(shí)際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。其可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測(cè)來(lái)進(jìn)行控制的許多場(chǎng)合。其次該轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)行遠(yuǎn)程管理和控制，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平?？傊?，轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。第1章緒論介紹了轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用、本文的研究目的和意義；第2章主要講述了FPGA技術(shù)與VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)應(yīng)用的相關(guān)介紹；第3章為轉(zhuǎn)速測(cè)量原理及方法；第4章為等精度測(cè)量原理介紹；第5章為硬件結(jié)構(gòu)；第6章為主體模塊設(shè)計(jì)及波形仿真，最后是結(jié)論。 FPGA概述及特點(diǎn)FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。（4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。（2）FPGA芯片在出廠之前100%都做過(guò)測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投資風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的最終功能設(shè)計(jì)。（3）用戶可以反復(fù)的編程、擦除、使用，或者在外圍電路不動(dòng)的情況下，用不同的實(shí)現(xiàn)軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。FPGA軟件包中有各種輸入工具、仿真工具、版圖設(shè)計(jì)工具及編程器等全線產(chǎn)品，使電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可以完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。電路設(shè)計(jì)人員使用FPGA進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需