摘 要

本文在调查现状情况上大致调研国内外负荷控制系统的，根据目前负荷控制系统存在的问题。为了解决相关问题的SOPC技术策略，由负荷控制系统的功能。采用研究手段，形成SOPC外设模块形式系统的功能。为解决SOPC的负荷控制系统硬件和软件设计，由自定义指令来改变系统的性能。

本文主要研究了目前负荷控制系统存在的两个问题。目前使用了相关的硬件SOPC技术于负荷控制系统，仍然有着无法扩展问题。因为硬件SOPC技术具有可扩展的好处，硬件SOPC技术根据NIOS软核处理器的SOPC方案，结合基于NIOS软核处理器的系统具有的优势。由于步进电机控制芯片无法实现细分的问题，组成有带细分功能的一个步进电机控制模块。采用正弦查表算，来实现脉冲细分算法。

仿真分析表明，所提出的解决方案中的关键模块可以实现相应的功能。通过对步进电机在非细分和细分中的最大位置控制精度和最大加载速度的对比分析，表明本文所采用的变细分控制方案满足要求。

关键词：负荷控制系统；步进电机；SOPC；NiosⅡ处理器

Abstract

This thesis surveys the status quo of the domestic and international load control system, according to the current status of the load control system. In order to solve the related problems of the SOPC technology strategy, the function of the load control system. Using research methods, form the function of the SOPC peripheral module system. In order to solve the SOPC load control system hardware and software design, custom instructions are used to change the performance of the system.

This thesis mainly studies two problems existing in the current load control system. At present, the related hardware SOPC technology is used in the load control system, which still has the problem of being unable to expand. Because of the scalable benefits of hardware SOPC technology, hardware SOPC technology combines the advantages of a NIOS soft-core processor-based system with the NIOS soft-core processor SOPC scheme. Because the stepper motor control chip cannot subdivide, a stepper motor control module with subdivision function is formed.

Simulation analysis shows that the key modules in the proposed solution can achieve corresponding functions. By comparing and analyzing the maximum position control accuracy and the maximum loading speed of non-divided, subdivided, subdivided and subdivided stepper motors, it is shown that the variable subdivision control scheme used in this thesis satisfies the requirements.
Key words： load control system;stepper motor; SOPC;Nios II processor

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题来源及研究意义 1

1.2相关SOPC技术的研究现状 2

1.2.1应力试验机的负荷控制系统 2

1.2.2 SOPC技术现状 3

1.2.3 NIOS 软核处理器简介 4

1.2.4步进电机细分驱动SOPC相关技术简介 5

1.3 本文的主要工作 7

第2章 负荷控制系统关键问题解决方案 8

2.1负荷控制系统的主要功能及SOPC技术指标 8

2.1.1硬件SOPC技术及处理器选择 8

2.1.2步进电机变细分控制方案 8

2.2本章小结 9

第3章 基于的负荷控制系统硬件设计 10

3.1硬件开发环境和设计流程硬件 10

3.2硬件SOPC技术设计 11

3.2.1芯片选择 11

3.2.2外围电路设计 12

3.3自定义指令模块设计 13

3.3.1模糊算法指令 13

3.3.2正弦查表指令模块 15

3.4本章小结 16

第4章 基于的负荷控制系统软件设计 17

4.1软件开发环境和设计流程 17

4.2驱动子程序设计 17

4.3应用子程序设计 18

4.4步进电机细分驱动子程序 18

4.5本章小结 19

第5章 系统仿真与试验结果分析 20

5.1仿真环境简介 20

5.2步进电机细分控制模块仿真 20

5.2.1步进电机细分控制模块仿真 20

5.2.2模糊指令的仿真 21

5.2.3正弦查表指令的仿真 21

5.3本章小结 22

第6章 全文总结 23

参考文献 24

致 谢 27

第1章 绪论

本章对混凝土材料研究领域的热点问题、开裂问题的研究以及抗裂试验设备的发展进行了介绍，并介绍了研究的背景和意义。研制了一套用于抗裂试验设备的试验设备温度应力试验机。介绍了温度应力测试机的子系统、负载控制系统、SOPC关键技术的应用现状以及该技术。介绍了该装置，详细介绍了该Altera公司的方案、串行处理器和总线。

1.1课题来源及研究意义

在建筑设施中，混凝土的每一部分在一定程度上受到不同程度的约束，不能自由伸缩。外界环境温度或湿度的变化会引起混凝土的膨胀或收缩。在约束区域产生约束应力，当约束应力大于混凝剂土的拉伸强度时产生裂纹。.因此，对混凝土抗裂性的研究显得尤为迫切和突出。对混凝土抗裂性的深入研究可以定量评价混凝土的抗裂性能，为混凝土的设计和施工提供准确的指导，为原料的选择和配合比提供可靠的依据。因此，高精度抗裂试验设备的研究和开发也成为国际上的一个热点。

随着德国慕尼黑工业大学的认识和道路工程建设的需要，研制了裂纹测试架，使热应力的测量成为现实。梁的定义是外力作用下混凝土的形状变量与自由状态下的形状变量之比。在世纪之交解决了可调节约束度的控制问题。一种控制活动梁的运动称为移动端，使试样形状的变量发生变化，从而实现武汉理工大学学位论文束的度数。可调中心轴约束试验装置已在不同国家和地区发展起来。在法国，这种装置是在一年中发展起来的，因此可以从年龄开始测量截面面积的混凝土试样的形状变量，并且该装置的活动梁与液压设备连接。

武汉理工大学先后承担了国家重点自然科学基金、国家科技攻关和省级科技攻关项目数十项，其中包括先进的水泥基复合材料、高强高性能混凝土、大体积混凝土等。ETE、钢管混凝土、轻质混凝土、智能混凝土等。研究成果在工程上是突出的。应用和发展也取得了突破性进展，参与了北京、珠海、巫山、长江大桥等几个国家重点工程的建设。国内影响力与日俱增，初步确立了国内领先水平的地位。然而，相关设备相对落后，迫切需要引进或开发一批具有世界先进水平的关键设备。为此，国家“十五”“工程”基金资助研发具有自主知识产权的可调单轴温度应力开裂试验机。

目前，高强混凝土和特种混凝土的发展对负荷控制系统提出了越来越高的要求。主要表现在以下方面：该装置需要提供更大的拉伸压力以实现更广泛的约束调节。

（1）保证形变量和拉压力的测量精度更高。

（2）保证要求活动横梁的位置控制精度更高。

（3）保证负荷控制系统具有良好的扩展性能。

负荷控制系统的性能主要取决于测量部分、控制部分和执行机构的实现。因此，本文以这一研究工作为出发点，针对学位论文所要求的理论深度、个人的工作年限和专业基本情况。对温度应力试验机的负荷控制系统进行了研究，具有一定的理论和实际意义。针对目前负荷控制系统存在的主要问题，结合负荷控制系统的主要功能和技术指标，提出了解决关键问题的技术方案。

1.2相关SOPC技术的研究现状

国内相关SOPC技术的研究，应力试验机负荷控制系统研究以及本文采用的主要技术一步进电机细分驱动SOPC技术。

1.2.1应力试验机的负荷控制系统

在日本、瑞士等地研究所以及清华大学都有研究。由负荷控制系统的控制对象和功能特点，研究了应力试验机的负荷控制系统相关典型的闭环位置控制系统。测量部分由位移传感器和拉压传感器组成，以完成混凝土试样的形状和张力的测量。

目前，致动器在技术上已经非常成熟，而不是对负载控制系统的研究重点。负荷控制系统的研究主要集中在测控部分。测量部分的测量部分用于满足温度应力测试机的要求。因此，本文主要研究了负荷控制系统的控制部分。

根据功能实现的要求，集成了单片机或微处理器、芯片、通信芯片以及部分步进电机控制芯片的集成存储器。然而，温度应力试验机的负荷控制系统还处于发展阶段。它的功能和技术指标需要研究高强度混凝土的不断膨胀和变化，并有实际应用的需要。

这就要求硬件平台具有相应的扩展和升级功能。硬件扩展和升级显示在高精度传感器中，以取代低精度传感器和传感器的添加。替代低性能步进电机的相位数正在发生变化。 一般来说，电流负载控制系统主要受硬件平台和步进电机控制芯片的功能限制。存在着噪声大、起动转矩特性差、位置控制精度低、硬件平台升级困难、功率消耗大等问题。

1.2.2 SOPC技术现状

过去，为了设计嵌入式系统，设计者需要选择三种不同的硬件设备——处理器、逻辑设备和存储器，以及三者之间的连接、速度和级别匹配。今天，所有这些设备都集中在一个芯片上，创建一个单芯片解决方案，提高了速度，减少了产品的尺寸，更重要的是，降低了整体成本。

解决方案可以基于刀片现场可编程门阵列的复杂可编程逻辑控制器（PPLC）。解决方案面临的诸多挑战主要是由于灵活性不够和开发周期长，阻碍了其发展。基于该方法的解决方案具有很大的灵活性。

（1）基于硬核处理器的SOPC系统

硬芯处理器被预植入介质中。目前，最常用的嵌入式系统采用的是一种比特硬内核处理器。

（2）基于软核处理器的SOPC系统

基于硬核系统存在一些缺陷，例如，设计者不能根据实际需要改变处理器的结构，不能以相同大小使用多个处理器核，以减少处理器的硬件资源在相同的大小。

越来越多的顾客越来越受欢迎。主要原因是原来只在实验室重新编程的功能现在扩展到了产品站点二，设备的密度近年来有了很大的提高。具有超过一万个门密度的现场可编程逻辑芯片已经上市。芯片规模的扩大和性能的改善，提供了材料基础三是现场可编程逻辑器件的开发工具，如公司和外观，大大提高了开发者四的效率。更多的设计者充分利用现有的硬件代码，以“设计重用”的方式来提高设计效率，缩短五的上市时间，是因为缩短了连接延迟时间，可以提供增强的性能，以及产品的尺寸。随着包装体积的减小而减轻。成本和风险已经直线下降，与设计成本和成本的增加相反，随着产能和系统功能的不断增加，成本和风险将成为一种灵活和低风险的替代方案。

近年来，通信行业的快速发展和信息家电的迅速普及，迫使集成电路生产商转变观念，开发新品种，扩大规模，提高性能，缩短市场时间。实现品种的通用化、系列化、标准化，有利于大批量生产，降低成本，提高生产效率。提高产品的竞争力。随着价格的迅速下降和面罩成本的迅速上升，它将进一步进入原先服务的大而低成本的应用市场。

1.2.3 NIOS 软核处理器简介

使用软核处理器在硬核处理器上的优点是硬处理器不够灵活，不能使用最新的技术。随着系统的进一步发展，基于硬件核处理器的解决方案将被淘汰，基于软核处理器的解决方案是基于源代码的。

软核处理器具有可配置性，可以随机地添加、删除和修改存储器、外部总线的宽度、握手协议和处理器的外部设备。它还为系统设计器提供了向处理器添加指令并加速算法的关键部分的能力。硬核处理器根本没有考虑这些指令。

该公司的处理器是专门为优化嵌入式软处理器设计的，它可以在运行时钟下提供性能。该处理器采用哈佛结构的独立的位指令和数据总线。它可以全速执行存储在芯片存储器和外部存储器上的程序，并访问数据支持总线的标准外围设备，为设计者提供资源的兼容性和再利用，相当于一万门的容量。

随着Altera公司的进一步发展，Altera公司将可编程逻辑的优势融入到嵌入式处理器的开发过程中，开发了一系列基于嵌入式处理器的处理器。到目前为止，处理器已经经历了两个版本。

串行处理器采用电平流水线技术，大部分指令可以在一个时钟周期内完成。这提高了处理器的处理速度。利用该公司提供的总线标准，设计者可以很容易地将多个处理器添加到设计中，有效地提高了系统的处理能力。

串行处理器在网络、通信、数字信号处理、海量存储和消费电子等领域有着许多成功的应用。该处理器及其优点已经推出了新一代的开发套件，增加了更多的片上存储器，更强的调试功能和捆绑更多的调试软件，为嵌入式系统的开发提供了更多的资源，支持了复杂的和高的开发。性能系统。整个系统采用总线集成、利用等工具，为开发人员提供了一个优秀而高效的开发平台。随着软核处理器的引入，外围设备、存储器接口、性能和成本都得到了提高。处理器具有性能的合理组合的优点。您可以创建适合您的外围设备、内存和接口，连接到处理器，并将它们快速嵌入到中间。