完整版基于FPGA的远程监控系统设计毕业设计有程序.docx
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完整版基于FPGA的远程监控系统设计毕业设计有程序
论文题目：
基于FPGA的电机远程监控系统
专业：
微电子1101
本科生：
李少飞（签名）___________
指导教师：
刘宁庄（签名）___________
摘要
随着中国经济的迅速发展，工业设备的的应用得到了十足的提高，但是面临许多问题。
人们对工作环境要求越来越高，一些设备不可避免会有一定的身体伤害，但又不可不去监控设备运行；另一个就是现在社会分工越来越细，工业设备提供商跟设备应用者就存在了售后服务不到位的问题，为了避免当下这些现象人们想到了诸多方法，我们想到利用远程监控系统来进行工业设备的远程监控，不仅可以避免在危险的环境下工作，适当利用的话更能实现一个人监控多个现场的工作状况以提高工作效率。
本课题主要是利用FPGA技术，以直流电机为研究对象，首先在对直流电机和FPGA理论深入研究有了深入了解之后，通过编写特定的程序以PWM脉冲波来控制直流电机的转速并把转速数据进行采集，把采集的数据通过RS-232串口通信技术反馈到PC端的特定界面上，并且可以通过特定PC界面发送控制信号，控制直流电机的启停，速率。
结果我们在把程序载入到芯片后，我们通过PC发送控制信号，使控制信号参与到PWM波的生成模块中实现对电机供电控制，从而控制电机转速。
电脑PC界面跟数码管同时会将采集的转速显示，我们可以根据自己想要的转速发送相应的代码来实现。
我们用VHDL语言对控制模块，测速模块，通讯模块，进行了功能实现，用FPGA技术实现了功能仿真及验证，经实验验证本方案可以完美的实现对直流电机的测速及控
制，由此证明我们此次的方案可行有效，可应用到一定的工业设备上进行远程控制。
关键词：
PWM脉冲调制；FPGA；RS-232串口通信；PC界面；VB串口界面编程
Subject:
MotorremotemonitoringsystembasedonFPGA
Specialty:
Microelectronics,1101
Name:
LiShaoFei（Signature）___________
Instructor:
LiuNingZhuang（Signature）___________
ABSTRACT
WiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,theindustrialequipmenttoimprovetheapplicationofpure,butfacesmanyproblems.
Peopleisphysical;Anotherissocialdivisionoflaborismoreandmorethinnow,industrialequipmentprovidersandequipmentusersexistedtheproblemsoftheafter-salesservicedoesnotreachthedesignatedposition,inordertoavoidthephenomenonofthesepeoplecameupwithmanymethods,wethinkaboutusingtheremotemonitoringsystemforremotemonitoringofindustrialequipment,notonlycanavoidthedangerousworkenvironment,appropriateuseofwordscanachievemorethanonemonitortheworkingconditionofthesceneinordertoimproveworkefficiency.
ThistopicmainlyusingFPGAtechnologytodcmotorastheresearchobject,firstinthetheoreticalresearchofdcmotorandtheFPGAwiththoroughunderstandingafter,bywritingspecificprogramstoPWMpulsewavetocontroltherotationspeedofdcmotorandthespeedofdataacquisition,theacquisitionofdatathroughtheRS-232serialcommunicationtechnologytofeedbacktothePCspecificinterface,andcanbesentviaaspecificPCinterfacecontrolsignals,controlofdcmotorstart-stop,rate.ResultsweareaftertheprogramisloadedintothechipwesentviaPCcontrolsignal,thecontrolsignaltoparticipateinthePWMwavegenerationmoduletorealizetocontrolthemotorpowersupply,soastocontrolthemotorspeed.ComputerPCinterfacewithdigitaltubewillgatherspeedshowsatthesametime,wecanaccordingtothespeedtheywantsendcodetoimplementaccordingly.
WeuseVHDLlanguagetocontrolmodule,logmodule,communicationmodule,thefunctionimplementation,withthefunctionoftheFPGAtechnologytoachievethesimulationandverification,bytheexperimentalverificationcanperfecttheschemeimplementationofdc
motorspeedandcontrol,thusweprovetheschemeisfeasibleandeffective,canbeappliedtoindustrialequipmentontheremotecontrol.
KEYWORDS:
pwmpulsemodulation，fieldprogrammablegatearray，thers-232serialcommunication，pcinterface，vprogrammingserialinterface
1．绪论
1.1基于FPGA的远程监控系统的研究背景及意义
我们不难发现网络控制已经慢慢普及到了我们的生活中，我们可以用手机去控制自己的电脑什么时候去关机，用手机去监控我们的孩子的电脑，车辆的电子锁等等，这些足以看见远程监控在当下重要性及及应用的热度，那么它现如今最值得应用的方向在哪呢，经过资料表明，我国的粗犷的工业生产时代已经过去，现在人民的生活水平提高了，人们渐渐不再接受较大污染的工业环境，但是工业毕竟是这个时代的命脉，为了能够不违背人民的愿望而且能够让时代更好的发展，我国提出了走高新技术发展的道路，对于远程监控系统的研究正好符合当下时代的需要。
远程监控系统在当下它具有强大的经济价值，符合国家的发展方向，更能为提高人民劳动效率做出不小的贡献。
就从当下几个小面来讲它的价值所在：
首先，工业现场我们知道会出现很多危险的环境，根本不适合人们对机器进行现场操作，但是鉴于我们现代的科技实力还不能达到全自动化，因此远程监控系统成了向全自动控制过度的必然研究课题，更解决了当下劳动力不足，劳动资源昂贵的现象。
第二，为了“走出去”各个大公司绞尽脑汁发展自己的技术，但是发现这一套对于发展海外市场效果甚微，原因在于我国的技术跟国外还是有一定的差距，就算实力相当但是对于越来越挑剔的顾客，我们的品牌怎么才能脱颖而出呢，很多公司选择了走高质量高服务的的先进道路，陕鼓集团就是一个经典的例子，他是为冶金，石化，煤化工，电力，国防，环保等行业提供大型动力装备系统问题解决方案的集成商和系统服务商，凭借着对出售出去的设备进行远程监控，确保了售后服务几乎无差评的良好声誉，赢得了更多海外客户的认可跻身于世界500强，他们通过远程控制系统对出售出去的设备进行跟踪，当出现故障时将在远程进行诊断操作，第一时间找到问题的关键所在，为设备应用企业节省了时间同时更为客户减少了利益损失，陕鼓特色服务因远程监控而特色。
最后也是较为普遍的应用就是，远程监控可以很好地为人们带来很多便利，人们不用再一直坐在电脑前看一个程序的运行这个漫长的过程，不用再担心由于疏忽而忘了关闭公司的电源，一切都可以随身操作，不再受到距离的限制，自然远程监控系统就成了人们关注的重点对象，因此对远程监控的研究迫在眉睫，我们要更好的去了解它，应用它，用好它，寻找更好的办法去实现它，当下人们较多的都是在应用单片机进行开发，但是FPGA的出现已经为人们带来了更好的开发环境，因此我们将尝试用FPGA技术去完成远程监控的设计，以达到更好的实现远程监控的目的。
1.2基于FPGA的远程监控系统的研究现状及发展趋势
远程监控目前是国内外研究的前沿项目，对此国内外开展了积极的研究。
1997年1月，第一届基于Internet的远程监控诊断工作大会由斯坦福大学与麻省理工学院共同主办，有30个公司和研究机构和50多位代表出席了此次的大会。
会议主要研讨了关于远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的正当限制等问题，并对未来技术发展作了展望，由斯坦福大学和麻省理工学院合作共同来开发基于Internet的下一代远程监控诊断标准系统，这项工作瞬间得到了制造业，计算机业和仪器仪表业的Boeing、Sun、HP、In、等12家公司的热烈支持和全力配合。
紧接着由这些公司共同推新出了一个实验性较强的系统Testbed。
Testbed是用嵌入式Web组网、用实时JAVA，Bayesian Net初步形成了在Internet范围内的信息监控与诊断推理。
后来，很多国际著名组织，比如MIMOSA（Machine Information Management Open System AllianceSMFPT （Society for Machinery Failure Prevention Technology）、COMADEM （Condition Monition an Engineering Management）等，也纷纷应用网络进行设备监控与故障诊断和技术支持工作，并且制定了部分信息交换格式和标准。
很多公司也在他们研发产品的过程中加入了Internet的功能，如Bentley公司拥有的计算机在线设备运行监测系统DataManager200可以运用网络动态数据交换（NetDDE）的方式向远程终端发送设备运行信息；著名的National Instruments公司也在他们的产品LabWindowsCVI和LabVIEW中加进了网络通讯处理模块，因此可以通过、FTP、E2mail方式在网络范围内进行监控数据的传送与接收。
法国的ALARM研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中实施了应用。
国内目前对于远程监控技术也开展了积极的研究，西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨产业大学、南京理工大学等高校已取得了可喜的研究成果：
如西安交通大学研制的大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD、华中科技大学研发的汽轮机工况监测和诊断系统KBGMD、哈尔滨产业大学研发的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统MMMDES等。
当前，越来越多的企业呈现跨区域发展趋势，利用相应的技术实现远程监控，对企业降低生产本钱，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及加强企业的综合实力等方面都拥有有十分重要的意义。
计算机领域在经历了一场新的革命后，它如今结合了现代控制技术、图形技术，能够随时随地为人们提供无缝的、高质量的、便捷的、廉价的信息资源，使其能真真正正融入到人们的生活。
计算机远程监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输与控制迅速发展到了数字化、网络化的信息传输与控制。
目前远程监控技术的主流是运用Internet技术，在TCPIP协议和规范的支持下，规范组织软件结构，使人们通过访问网络服务器来迅速获取所需要的信息并能及时做出反应，嵌进式系统的发展就目前发展速度，会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术早晚必将更广泛的用于远程监控系统上，是监控系统未来发展主要方向之一。
嵌进式监控系统可以使信息实现本地化，提高服务器性能，使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立服务，从而大大推进监控的质量和范围。
随着工业技术的发展，远程监控系统得到了就搞得需求，再结合了网络通信技术，以及测控系统之后，人们还将传感器领域参入了其中，但是最核心的问题是当下很多开发的核心都是通过单片机来实现的。
近年来，电子设计自动化技术和可编程（pld）技术的发展非常迅速，在现代电子系统设计中已经的到了广泛的应用。
现场可编程门阵列（FPGA,FieldProgrammableGateArray）的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计（CAD）技术发展的结果。
FPGA器件含有程度高，体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。
使用FPGA可以大大缩减系统的研制周期，减少资金的投入，更吸引的是，采用FPGA器件可以将原来的电路扳级的产品集成为芯片级产品，从而降低功耗，提高可靠性，同时还可以很方便的对设计进行在线修改。
FPGA成为研发的理想器件，特别适合于产品的样机开发，及研究用途，因此FPGA将会成为最新且最热门的应用开发平台，对于远程监控系统的开发我想将会是更好的选择。
监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，应用者不断对远程监控的简便性及实时性提出了更苛刻的要求。
因此必须要更好地、更及时地应用最新技术，这样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求，选择FPGA正好可以满足人们这些严苛的要求，不仅可以为人们减少应用的体积，更可以为人们节省资源，节省经济。
借助于远程监控可以将企业内部的信息网（Intranet）与控制网有效地连接起来，实现对生产、运营情况的随时把握，把生产运营状况同企业的经营治理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。
通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速总结，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术职员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业练习的职员。
虚拟。
地出现在很多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作职员，终极实现远真个无人或少人值守，达到减员增效的目的。
1.3本课题的主要研究内容
本次我们主要的研究目的就是采用FPGA技术去开发出一款远程监控系统，我们目前选用的工业器件为直流电子做为研究的主体，为什么用这个呢因为目前我们先要从最简单的数据处理来实现远程监控。
当下的远程监控都采用图像和音频数据同时传输的研究方向单是，由于目前我们处于本科阶段，研究的局限性加之音频和图像都是基本二进制数据的组合体，因此我们决定从基本的数据流着手，对直流电机进行速度数据的采集及远程PC控制，做好这些对将来的图像和音频的远程控制也就只是地基打好盖房子的事情了。
本次我们的课题主体分为五个模块来实施：
直流电机测速模块，直流电机PWM控制模块，串口通信模块，分频模块，为了对于中途对程序进行准确调试我们同时设计了数码管显示模块两个分别用来显示直流电机的转速和串口通信的调试数据显示。
对于本次的核心研究关键是去验证FPGA实现远程监控的设计的可行性，及稳定性。
对于硬件电路我们采用实验室提供的FPGA实验开发板，不仅节省了资金更能为更快地实现研究的目的节省巨大的时间。
当下通信行业是一个热门的行业，因为在当下数据通信，手机的风行，电脑数据的远程传输都得用到通信方面的知识，但是当下如何将合适的通信方式跟我们研究的课题集合起来这将成为很重要的问题，对于用到的FPGA，我们该用怎么样的vhdl语言区描述这样的通信原理呢，这些都是将要面临的问题。
市面上串口通信涉及到的方式比较多，具体的选择还得细细研究串口通信跟实验结合起来才可以确定。
PWM控制直流电机的运转这是一个比较核心的问题，那么我们该如何去生成PWM波，再用到什么生成方式我们能够更好的控制直流电机的运转，等等一系列问题。
在这个问题研究的前提下我们必须去深刻了解PWM到底是什么原理，怎么样去生成有效而稳定的PWM波。
在这个大的课题下我们分布了很多的小的研究内容：
串口通信的实现方法，PWM波控制直流电机的控制波的生成及选择优化，QuartusII开发设计流程，电机控制原理分析，PC与开发平台如何握手连接问题，脉冲宽度与转速的对应关系研究。
2．电机监控基础理论及应用工具简介
2.1基础理论
2.1.1计数器原理
计数器广泛被应用到数字系统中，因为他可以对输入的脉冲进行计数，并且可以用于分频器的制作，定时脉冲的输出等。
在其中计数器又分为很多种，按照计数功能可以分为加法计数器，减法计数器，可逆计数器；按照进位方式可分为同步计数器和和异步计数器；按照进位计数基数可以分为十进制计数和二进制计数和任意计数器。
计数器是在一个脉冲来到之时进行数字累加，进行输出当达到一定的规定值之后将进行清零并将向下一个模块发送一个新的脉冲作为下一个计数模块的时钟输入进行计数从而能够实现多位的及较大的脉冲计数。
2.1.2电机原理
直流电机是我们生活中非常常见的的一种电子设备，其结构如下图2-1所示。
我们就下面的图来说明直流电机的工作原理，将直流电源通过电刷接通电枢纽绕组，使电枢导体上有电流流过，由于电磁作用电枢就会产生磁场。
同时，它将产生磁场与主磁极的磁场产生电磁力，这个电磁力作用于转子带动转子以一定的速度开始旋转，电机就能正常运转了。
2.1.3PWM技术
PWM-脉冲宽度调制，是英文“pulsefrequencymodulation”的缩写，简称为脉宽调制。
PWM可以通过模拟电路和数字电路来实现，也可以用到数字信号处理器的数字输出来对模拟电路进行控制实现，被广泛应用到测量通信及功率控制及功率变换等领域。
模拟电路实现PWM的方法是采用比较器来实现的，将参考的电平与三角波或者锯齿波信号进行比较，就可以输出一组脉冲宽度受到参考电平调制的PWM信号。
PWM信号的脉冲宽度与三角波或者锯齿波信号的周期之比被称为占空比，改变参考的电平就可以去改变占空比。
PWM在开关变化器中被广泛应用，通过调节占空比可以很方便的改变其输出电压或者输出电平稳定。
PWM实现电路控制是比较简单的，但由于输出频率是恒定的，如果开关变换器工作频率比较高的话，则在轻载或者处于待机状态时，开关损耗将极为可观，造成大量的能耗。
2.1.4PC机的RS-232接口
PC机异步IORS-232信号线十分的简单，一般是有9条信号线（DB9口），RS-232的9条信号线的名称，信号方向以及简要功能如下表2-2所示。
其引脚图如2-3所示。
RS-232引脚性能表
引脚
信号名称
信号方向
简称
信号功能
1
载波检测
DCE-DTE
DCD
数据链路已经连接
2
接收数据
DCE-DTE
RXD
DTE接收串行数据
3
发送数据
DTE-DCE
TXR
DTE发送串行数据
4
数据终端就绪
DTE-DCE
DTR
DTE准备就绪
5
信号地
-
SG
公共信号地
6
数据设备就绪
DCE-DTE
DSR
DCE准备就绪可接收
7
请求发送
DTE-DCE
RTS
DTE通知DCE请求发送
8
清除发送
DCE-DTE
CTS
DCE已切换到接收模式
9
振铃指示
DCE-DTE
RI
通知DTE有远程呼叫
表2-2
图2-3
信号RTS,CTS,DSR,DCD,DTR和RI都表示控制信号。
这些信号有效时候，表示通状态；反之表示断开状态。
信号线TXD和RXD为数据传输信号线，传号表示二进制1，空号表示二进制0.
DCE接收到远程载波，通信链路已经连接，那么这时候可以进行数据传输。
DCE通过发送DCDOFF信号通知DTE断开连接。
RXD（接收数据）是DTE从DCE接收串行数据，该信号与其他信号状态无关。
当没有载波的时候，在半双工系统中从发送模式切换到接收模式的短暂时间内，这个信号处于传号状态。
TXD发送数据是DTE向DCE发送串行数据。
只有当RTS,CTS,DSR,DTR信号有效的时候，DTE才发送数据。
DTR数据端就绪表明DCE已经准备好，DTE一般是在通信开始时候发送DTR信号，并在整个过程中保持开启状态。
SG信号地是整个电路的公共信号地，做为所有信号的公共参考地。
数据设备就绪（DSR）表示DCE准备就绪，可以接收数据，它并不是指建立到端到端的连接，而只表明本地DCE的状态。
只有当下面的三个条件同时满足的情况下，DCE才会发送DSR信号。
本地DCE已经到达信道，已经处于摘机状态，但是不处于测试，对话或者拨号状态；
本地DCE已经实现了定时功能；
如DCE是Modem，则Modem已经开始了各自音调地传送。
请求发送（RTS）信号和清除发送（CTS）一起提供了控制DTE与DCE之间数据流的一种方法。
当DTE要求发送数据或者接收模式切换到发送模式时，发送RTS信号用来通知DCE，DTE请求发送数据。
当DTE发送RTS信号请求发送数据后，不能立即发送数据。
因为DCE不能再瞬间完成线路的切换，因而DTE必须检测CTS信号。
当DCE向DTE发送CTS信号后，表明DCE已经切换到接收数据模式，这时候DTE才可以发送数据。
振铃指示（RI）的作用是当DCE接收到线路上有振铃信号时，发送信号以通知DTE有一个远程呼叫。
2.1.5数据通信的基础知识
位和字节：
在十进制计数制中有10个数码0～9，在二进制中只有两个数字0、1。
二进制计数制中的每一位0和1，被叫做一个位。
每八个位构成一个字节，因为一个字节在一个字节中最右面的位被称为0位，最左面的位被称为位7位。
位0位是最低有效位，而位7位是最高有效位。
并行传送和串行传送：
并行传送意味着当数据从一台计算机传送到另一台计算机时，不是依次一个比特位一个比特位的传送的，而是用并行方式沿多线同时传送多个位，传送的并行位数可能是不一样的，但是一般是八位或者是八位的倍数。
串行传送是指数据被依次一位一位的传送，因此通信接口必须能够分别将所有的位依次的发送出去，也应该能够将每一位依次接收下来。
帧：
在串行异步通信情况下，构成一个字节的那些数单
升级会员 