基于单片机和FPGA的四通道PWM信号发生器接口设计

题目：基于单片机和FPGA的四通道 PWM信号发生器接口设计
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
1引言
单片机是将中央处理器、存储器、定时器、中断系统、输入/输出接口等工
作部件集成在一块电路芯片上的微型计算机。

它具有体积小，功能强，可靠性高、
价格便宜等优点，因此单片机被广泛应用于我们的生活、工作、科研等各个领域。

单片机应用于工业控制等方面时经常要对电流，电压，温度，位移，转速等
模拟量进行调整控制如恒流，恒压，恒温，恒速等单片机一般将采集的模拟量数
据进行运算和处理根据设计要求对输出控制进行脉宽调制达到恒流，恒压，恒温，
恒速的目的。

随着大规模集成电路的不断发展很多单片机都有内置PWM模块，因
此单片机的PWM控制技术可以用内置PWM模块实现，也可以用单片机的其它资源
由软件模拟来实现，还可以通过控制外置硬件电路来实现。

可编程逻辑器件(PLD)
及EDA技术的应用成为电子系统设计的潮流。

FPGA是一种新兴的可编程逻辑器
件(PLD)，与其它PLD相比，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵
活性。

单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等方面所具有的独特
优点，长期以来被广泛的应用在各领域。

基于FPGA的高密度、高速度、现场可
编程的能力和单片机强大的数据处理功能，制作了波形发生系统，用于产生频率
为10Hz~20kHz的四路分别占空比0~100%可调的PWM波。

现着重介绍用基于可编
程的FPGA和单片机实现四通道PWM信号发生器及其接口的设计。

可编程逻辑器件(PLD)及EDA技术的应用成为电子系统设计的潮流。

FPGA是
一种新兴的可编程逻辑器件(PLD)，与其它PLD相比，具有更高的密度、更快的
工作速度和更大的编程灵活性。

单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠
性高等方面所具有的独特优点，长期以来被广泛的应用在各领域。

基于FPGA的
高密度、高速度、现场可编程的能力和单片机强大的数据处理功能，制作了波形
发生系统，用于产生频率为10Hz~20kHz的正弦波，锯齿波，三角波和四路分别
占空比0~100%可调的PWM波。

2 FPGA 的特点及应用
FPGA (Field Programmable Gate Array, 用户现场可编程门阵列)是起源于 80 年代中期, 由美国硅谷Xilinx 公司首创的全新概念。

FPGA 能进行现场设计、现场编程、现场验证、现场修改与分析, 从而现场实现数字系统的单片设计和应用, 在大专院校、科研所、航空航天、数字通信、计算机应用领域展示出了广泛的应用前景。

2.1 XC 系列FPGA 器件的内部结构特点
Xilinx FPGA 的结构框图如图1所示。

图1 Xilinx FPGA 的结构框图
图 2 给出了XC3000 系列FPGA 的内部结构图。

它主要由以下几个部分组成: (1)可编程逻辑块CLB; (2)可编程输入ö输出模块LOB; (3)可编程内部连线P I ;
(4)矩阵开关; (5)三态缓冲; (6)上拉电阻和长线等。

I/ O 模块分布在芯片四周, 它是内部逻辑和芯片封装脚之间的接口。

逻辑单元通过程序定义内部联接关系, 完成用户所需的逻辑功能。

逻辑单元与逻辑单元、逻辑单元与外界的连接关系以及矩阵开关的状态都通过程序定义。

图2 XC3000 系列FPGA 的内部结构图
2.2 可编程逻辑单元CLB
CLB 是 FPGA 的核心。

图 3 为XC3000 系列的CLB 结构从图中可看出, 它主要由D 触发器、组合逻辑功能模块及多个多路数据选择器构成。

CLB 内部的两个D 触发器由CL K 端的外部时钟驱动, 时钟可由用户编程有效极性(上升沿、下降沿) ;组合功能模块具有五个逻辑输入变量, 并生成一个具有布尔功能的输出。

从图中还可以看出: 组合逻辑功能模块的延迟相对固定, 与所要产生的逻辑功能无关, 它只由器件的速度等级而定。

通过单个CLB 的信号延迟时间一般不超过 4。

5n s 至 7n s, 而用中小规模器件来完成一个CLB 所包含的同样的逻辑功能, 其信号延迟时间则需要30n s。

因此, CLB 的延迟时间要小得多, 从而大大提高了所设计产品的性能。

D 寄存器锁存后到达输出缓冲器的输入端。

当选为双向时, 可以由逻辑控制三态缓冲器来定义其输入或者为输出, 使用非常方便。

图3 XC3000 系列的CLB 结构
3 PWM控制的特点与方法
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术。

采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。

根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法。

1. 等脉宽PWM法
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。

2．随机PWM
在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路。

3．SPWM法
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽
度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案。

4．等面积法
方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩
形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。

5．硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希
望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所
期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得
到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调
制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行
控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。

6．软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生
成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基
本算法,即自然采样法和规则采样法。

7．自然采样法
以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时
刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉
宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。

8．规则采样法
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其
原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时
刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对
正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即
采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点
又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在
一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非
对称规则采样. 规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,
便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直
流电压利用率较低,线性控制范围较小。

4 总体设计方案
由于FPGA 是一个高度集成化且易于实现模块化的器件，故本课题采用模块化的设计方法，参照单片机对FPGA功能扩展的思路，将总体设计分成七个模块，其中四个模块是相同的，各模块能实现特定的功能。

总体的设计如图4所示。

图4 总体设计图
现分别介绍说明各个模块的功能与作用。

4.1 SQU模块
模块SQU是PWM信号发生模块。

SQU的ADR口输入一个由八位计数器CNT8B输出的数字锯齿波信号；CIN口输入一个八位二进制数，这两个信号通过一个数字比较器进行比较，然后输出一个与CIN宽度相同占空比的的方波信号。

所以CIN是SQU输出方波信号占空比的控制字，而进入ADR 的锯齿波信号的频率等于方波频率。

用Verilog语言进行编程设计的SQU模块的源程序如下：
然后将其打包成SQU模块如下：
4.2 PWM4模块
PWM4的功能是通过单片机像四个SQU模块分别输入PWM4信号的脉宽控制数据。

本模块采用输入原理图的方法进行设计。

其原理图如图5所示。

图5 PWM4模块原理图然后将其打包成PWM4模块如下：
4.3 PLL20模块
锁相环模块PLL20输出的c1信号有CLKOUT输出（12MHz）,为单片机提供工作时针；c0信号时80kHz，是计数器CNT8B的时钟信号，决定PWM信号的频率。

由于Quartus Ⅱ自身有锁相环模块只需设置相应的参数直接调用系统的即可。

设置好的PLL20模块如下所示：
4.4 CNT8B模块
CNT8B模块是一个8位计数器，也可直接在系统里直接调用即可。

设置好参数的CNT8B模块如下所示：
4.5 完全系统模块
现各个模块都已经做好，我们把各个模块的相应文件比如.v或block文件都放在一个工程文件夹里，目的是进行总体布局设计时可以对之前设计好的各个模块可以直接进行调用，否则在编译时会出现所调用的模块未被定义的错误。

用Quartus Ⅱ绘制出系统的总体设计架构如图6。

图6系统的总体设计架构图
5 时序仿真
在编译未出现错误后对系统进行时序仿真。

单片机通过PWM4模块根据不同地址，分别写入四个控制字23H，7AH,A5H和B8H。

仿真前波形如图7。

图7仿真前波形图
仿真后得到的波形如图8所示。

图8 仿真后波形图
由图可见四个输出信号波形显示，随着四个波形控制值的增大，输出波形的脉宽逐步变小从而实现模块调制的目的。

另外从图中还可以看出输出波形有一些毛刺信号，其实这些毛刺信号对外部设备的控制不会产生任何影响，这是因为其脉宽非常小，在通过进入外围设备的通道过程中会被导线及电路板中的分布电容吸收
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主要参考文献
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