Nios Ⅱ处理器在透镜中心厚度测量系统中的应用设计

Nios Ⅱ处理器在透镜中心厚度测量系统中的应用设计
王青松
【摘要】采用迈克尔逊干涉仪原理测量透镜中心厚度的方法已经得到了理论论证,具有较高的测量精度.本文采用硅光电池对经透镜厚度调制后的激光干涉条纹能量进行测量,设计了前置放大电路,A/D转换电路、按键电路、LED显示电路、并以FPGA为载体设计了Nios Ⅱ处理器,结合软件设计构成了一个以Nios Ⅱ处理器为核心的透镜中心厚度测量系统的数据采集,分析和显示子系统.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2010(029)025
【总页数】2页(P161-162)
【关键词】Nios Ⅱ;硅光电池;迈克尔逊干涉仪
【作者】王青松
【作者单位】西安工业大学光电工程学院,西安,710032
【正文语种】中文
【中图分类】TP315
迈克尔逊干涉仪是利用干涉条纹精确测定长度的仪器，透镜中心厚度是透镜的一个重要的尺寸参数，基于迈克尔逊干涉仪的工作原理设计测量透镜中心厚度的方法已经在理论上得到了论证。

因为透镜中心厚度对干涉条纹的能量产生了影响，本文采用光敏传感器接收干涉条纹，设计了前置放大电路、A/D转换电路、NiosⅡ处理器、Flash、SRAM、显示和按键电路进而构成一个透镜中心厚度测量子系统，用
以实现数据采集，数据分析和结果显示。

子系统工作原理框图如图1所示。

1.1光敏传感器选型光敏传感器主要接收干涉条纹，把干涉条纹的明暗变化转换成电流或电压输出。

光敏传感器类型多样，本文采用了硅光电池，与其它光敏传感器相比，硅光电池具有光敏面比较大，输出电流较大，波长相应宽度大，稳定性好和光电特性的直线性好等优点。

在光电池负载为零的情况下，光电池的短路电流为
式中：ISC——短路电流；S——光电池的光电灵敏度；L——入射光强度。

从（1）式可以看出，光电的输出短路电流与入射光强度成正比。

1.2前置放大电路设计光敏传感器的输出电流比较小，因此需要放大电路进行放大；因为后继A/D转换器转换的是电压量，因此放大电路还需要有I/V变换功能；除
此之外，为了防止运算放大器引入噪声，需要选用底输入失调电压和输入失调电流，高共模拟制比的运算放大器，本文选用了Intersil公司的ICL7650低漂移斩波运
算放大器，设计的电路原理图如图2所示。

2.1NIOSⅡ处理器设计
2.1.1 FPGA及SOPC FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定
制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。

SOPC（System-on-a-Programmable-Chip），即可编程片上系统。

用可编程逻辑技术把整个系统放到一块FPGA芯片上，称作SOPC。

可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个
系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

2.1.2 NiosⅡ处理器NiosⅡ处理器是Altera公司为利用其FPGA构成SOPC而推出的一款软核CPU,是一种面向用户的，可以灵活定制的通用RISC嵌入式CPU。

NiosⅡ具有一系列不同于普通嵌入式CPU的特性，它的外设可以灵活选择和增删，可以自定制用户逻辑外设，可以允许用户定制自己的指令集，设计者可以使用NiosⅡ加上外部的Flash、SRAM来构成一个嵌入式处理器系统。

2.1.3 NiosⅡ嵌入式处理器设计按照NiosⅡ处理器的设计流程，结合本文对处理
器的要求，设计好的NiosⅡ处理器具有以下接口和资源：4个按键输入口KIO；3位数码管输出口DISPIO；3位Flash控制口FIO；3位SRAM控制口SIO；21位Flash/SRAM地址总线MEMDR；32位SRAM(32位)/Flash(16位)数据总线MEMDA；1位主频时钟端口Clk；1位系统复位端口Rst；8位采集A/D转换结
果的数据端口ADIN。

2.2NiosⅡ处理器与外围电路的接口设计
2.2.1 NiosⅡ处理器与SRAM芯片的接口设计NiosⅡ处理器与SRAM芯片的接口设计如图2所示。

SRAM芯片的作用类似计算机的系统内存，用以存放正在执行
的程序和数据。

本文选用了Altera公司推荐的的Cypress公司型号为Cy7c1041-10的SRAM芯片，该芯片有256K×16空间。

2.2.2 NiosⅡ处理器与Flash芯片的接口设计Flash的作用类似计算机的硬盘，用于存放程序和数据。

在掉电时仍然保持FPGA的编程数据和程序运行时所需的数据。

本文选用了型号为SST39VF160的芯片作为NIOSⅡ处理器的Flash。

NiosⅡ处理器与Flash芯片的接口设计如图2所示。

2.2.3 NiosⅡ处理器与A/D转换器的接口设计在本文中需要NiosⅡ处理器进行数据采集和分析，并给出测量结果。

在数据采集环节，NIOSⅡ处理器需要读取A/D 的转换结果，所以在FPGA芯片上除了设计一个NiosⅡ处理器外,还需要设计一个专用逻辑接口电路ADINTER用于实现对A/D转换器的控制，保存A/D转换器的
转换结果，然后再传输给NiosⅡ处理器。

本文所选用的A/D转换器的型号为ADC0804,该A/D转换器为8位，精度为±1LSB。

NiosⅡ处理器、ADINER专用接口、74lvc245(用于把ADC0804输出的5V电平转换为与FPGA所要求的3.3V 电平)与ADC0804接口电路如图2所示。

2.2.4 NiosⅡ处理器与按键和LED显示的接口电路设计按键用来向在NiosⅡ处理器上运行的程序发出控制命令，而LED显示单元用来显示当前的程序运行状态，如计算结果，参数调整等。

本文设计了4个按键及3位LED数码显示管，它们与NiosⅡ处理器的接口电路如图2所示。

在设计好NiosⅡ处理器及外围电路之后，需要设计在NIOSⅡ处理器上运行的软件程序。

基于NiosⅡ处理器的透镜中心厚度测量系统软件流程图如图3所示。

本文从NiosⅡ处理器，NiosⅡ处理器外围电路和软件三个方面入手设计了透镜中心厚度测量系统中的数据采集，分析和结果显示子系统的软件和硬件。

通过软硬件联合调试，该部分能够实现所需功能，是一个完全可行的设计。

【相关文献】
[1]高明，黄钉劲，刘钧.透镜中心厚度测量仪的设计[J].西安工业学院学报，2003，（3）：234-236.
[2]潘松，黄继业.曾毓.SOPC技术实用教程[M].清华大学出版社，2005.
[3]蔡伟刚.NiosⅡ软件架构解析[M].西安电子科技大学出版社，2007.。