FPGA在洗片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：一種基于 FPGA的洗片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)論述了FPGA在系統(tǒng)中應(yīng)用與具體實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在0℃~50℃范圍內(nèi)精度0.1℃的測(cè)量與控制。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于升級(jí)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠在惡劣環(huán)境下工作，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

洗片機(jī)作為一種用于X射線透射膠片和CT膠片的顯影、定影、清洗和烘干的儀器，在當(dāng)今各行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的洗片機(jī)由于自動(dòng)化程度不高，所以對(duì)操作人員有嚴(yán)格的技術(shù)要求，藥液日積月累也會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害，并且社會(huì)的發(fā)展也對(duì)洗片機(jī)的精度提出了越來(lái)越高的要求，所以新型的高自動(dòng)化，高精度的洗片機(jī)日益成為研究的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹了FPGA在這樣一種新型洗片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

洗片機(jī)工作原理及實(shí)現(xiàn)方案

洗片過(guò)程主要由顯影、定影、沖洗和烘干四部分組成。膠片先后經(jīng)由滾軸傳送至顯影及定影箱的藥液中，然后再經(jīng)過(guò)沖洗槽由清水沖洗，最后烘干，整個(gè)洗片即完成。四個(gè)過(guò)程對(duì)顯影、定影溫度，膠片傳送速度均有嚴(yán)格的要求。

該控制系統(tǒng)主要由FPGA、A/D轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器，光電耦合器，PWM控制器等器件組成。系統(tǒng)上電以后，由PWM控制器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的碼盤(pán)帶有圓孔，兩端裝有光電耦合器。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后，光電耦合器兩端就會(huì)生成一正弦波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特反向觸發(fā)器后變?yōu)橐环讲?，振幅與正弦波相反。同時(shí)，溫度傳感器測(cè)量顯影箱與定影箱的實(shí)際溫度，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后系統(tǒng)將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度信號(hào)、顯影、定影的實(shí)際溫度信號(hào)和撥碼盤(pán)上的設(shè)定溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)5v到3.3v的轉(zhuǎn)化后傳送到FPGA進(jìn)行處理，從而生成系統(tǒng)需要的控制信號(hào)。本文重點(diǎn)介紹了FPGA在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 FPGA在系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 FPGA的性能及特點(diǎn)FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是在CPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型高性能可編程邏輯器件。它一般采用SRAM工藝，也有一些專(zhuān)用器件采用FLASH工藝或反熔絲（Anti-Fuse）工藝等。FPGA集成度很高，其器件密度從數(shù)萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)到數(shù)千萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。FPGA的基本組成部分有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專(zhuān)用硬核等。FPGA還支持多種單端I／O標(biāo)準(zhǔn)接口、系統(tǒng)所需的PCI標(biāo)準(zhǔn)接口、數(shù)據(jù)速率高達(dá)640Mbps的LVDS標(biāo)準(zhǔn)接口等，甚至一些高端產(chǎn)品可以通過(guò)DDR寄存器技術(shù)支持高達(dá)2Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。該器件還可以支持使用低價(jià)位的串行配置器件來(lái)對(duì)該系列器件進(jìn)行配置；器件內(nèi)部含有鎖相環(huán)（PLL），可以用做時(shí)鐘的倍頻、分頻以及移相等操作；內(nèi)部每個(gè)邏輯陣列塊(LAB)可與多個(gè)全局時(shí)鐘，用于系統(tǒng)的多時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。FPGA的主要器件供應(yīng)商有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Atmel等。

3.2FPGA的內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部包含實(shí)際溫度的讀取、設(shè)定溫度的讀取、實(shí)際溫度的換算、實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的比較及加溫控制、速度的測(cè)量、定時(shí)、十進(jìn)制碼與LED顯示碼的轉(zhuǎn)換、串行口顯示等模塊。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

3.2.1  速度測(cè)量

速度測(cè)量功能由一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器模塊和一個(gè)定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)。若電機(jī)轉(zhuǎn)速為r轉(zhuǎn)/分鐘，電機(jī)齒輪直徑A,與電機(jī)齒輪相連的傳動(dòng)齒輪直徑為B，傳送膠片的滾軸直徑C,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為t，碼盤(pán)圓孔個(gè)數(shù)n，則膠片的傳動(dòng)速度為v= πrABC/n。在本系統(tǒng)中，2.7毫秒內(nèi)測(cè)的的3位十進(jìn)制數(shù)即為個(gè)位加兩小數(shù)位的膠片速度。例如，2.7毫秒內(nèi)測(cè)得脈沖個(gè)數(shù)為135，則膠片的行進(jìn)速度為1.35米/分鐘。

3.2.2 溫度測(cè)量與控制 溫度的測(cè)量與控制包含顯影、定影兩路溫度，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器MC14433轉(zhuǎn)換周期完成以后，MC14433向FPGA發(fā)出一高電平脈沖信號(hào)。FPGA接收到此信號(hào)以后由溫度切換模塊進(jìn)行顯影、定影溫度的切換；同時(shí)設(shè)定溫度讀取模塊開(kāi)啟撥碼盤(pán)的移位掃描并讀取設(shè)定溫度值，而實(shí)際溫度初值讀取模塊開(kāi)始讀取上一轉(zhuǎn)換周期的模數(shù)轉(zhuǎn)換初值，得到一個(gè)四位的十進(jìn)制數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換初值再經(jīng)過(guò)一除法運(yùn)算模塊即得到最終實(shí)際溫度值。（除數(shù)與MC14433的基準(zhǔn)電壓相關(guān)，若MC14433基準(zhǔn)電壓為xV，則除數(shù)n=2/x，本系統(tǒng)中基準(zhǔn)電壓為0.5V，n=4。）然后由溫度比較與加溫控制模塊將設(shè)定溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較，若實(shí)際溫度小于設(shè)定溫度，則選擇此路溫度的加溫控制。

3.2.3 內(nèi)碼轉(zhuǎn)換與結(jié)果顯示 得到速度與實(shí)際溫度的數(shù)值后，結(jié)果在內(nèi)碼轉(zhuǎn)換模塊中轉(zhuǎn)化成LED字型碼，然后由顯示模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED面板上。顯示模塊是由一個(gè)移位寄存器構(gòu)成的串行通訊口,并且生成LED顯示所需的移位時(shí)鐘。

3.3 FPGA設(shè)計(jì)的仿真

圖3是FPGA設(shè)計(jì)在Quartus中的仿真結(jié)果波形圖。其中clk是10M有源晶振產(chǎn)生的系統(tǒng)全局時(shí)鐘，EOC是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號(hào)，S_IN是用作設(shè)定溫度的撥碼盤(pán)數(shù)值，SPEED為測(cè)速脈沖，MC14433_D是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的位選信號(hào)，MC14433_Q是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸出。圖中設(shè)定溫度小于實(shí)際溫度，所以溫度控制信號(hào)顯影(HEATUPXY)、定影(HEATUPDY)處于高電平加熱狀態(tài)。最終結(jié)果在移位脈沖的作用下通過(guò)串行口輸出，即為圖中的LED_DATA。

3.4  采用FPGA設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

（1） 超小型化系統(tǒng)

因?yàn)?FPGA的可編程特性、內(nèi)部足夠的資源和布線空間，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的“EPROM+計(jì)數(shù)器”的方法,本系統(tǒng)大幅度減少了硬件電路規(guī)?？?。

（2） 抗干擾性能強(qiáng)

所有的數(shù)據(jù)處理都在 FPGA內(nèi)部完成，信號(hào)受干擾的幾率小，再加上其獨(dú)特的抗干擾設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

（3）靈活性好 由于 FPGA的可編程特性，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)，而且開(kāi)發(fā)周期短，易于調(diào)試。

4 結(jié)論

由于洗片機(jī)在如今的航空、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，所以其性能緊密關(guān)系著市場(chǎng)的占有率。本系統(tǒng)采用了獨(dú)特的FPGA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速處理。相對(duì)于傳統(tǒng)的洗片機(jī)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)大幅度提高了溫度測(cè)量與控制過(guò)程中的精度，其控制誤差已無(wú)限接近于傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器的綜合誤差。若采用采用高精度的溫度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的微小量測(cè)量與控制。本系統(tǒng)采用了價(jià)格低廉的LM355Z和MC14433作為溫度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了0℃~50℃范圍內(nèi)精度0.1℃的測(cè)量與控制。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了超小型系統(tǒng)規(guī)模，數(shù)據(jù)的高速處理處理，支持實(shí)時(shí)顯示，抗干擾能力強(qiáng)，可在惡劣環(huán)境下工作。 由于采用FPGA技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，采用該系統(tǒng)的洗片機(jī)與市場(chǎng)上流行的洗片機(jī)相比，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。