基于Nios_的PWM控制电路设计

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技术创新

控制系统

《ＰＬＣ技术应用２００例》

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基于ＮｉｏｓＩＩ的ＰＷＭ控制电路设计

ＴｈｅＰＷＭＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＮｉｏｓＩＩ

（清华大学）

余毅马骋贾惠波

ＹＵＹｉＭＡＣｈｅｎｇＪＩＡＨｕｉ－ｂｏ

摘要：本文详细论述了基于ＡｌｔｅｒａＮｉｏｓＩＩ软核处理器的ＰＷＭ控制电路的设计方法，介绍了系统设计的各个步骤。该电路在一块基于ＡｌｔｅｒａＣｙｃｌｏｎｅＩＩＦＰＧＡ的ＳＯＰＣＢｏａｒｄ评估板上实现，完全满足设计要求。本文对基于ＮＩＯＳＩＩ进行系统设计具有实际参考价值。

关键词：ＦＰＧＡ；ＳＯＰＣ；ＮｉｏｓＩＩ；ＰＷＭ；硬件平台；移动机器人中图分类号：ＴＰ３６文献标识码：Ｂ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇａＰＷＭＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＡｌｔｅｒａＮｉｏｓＩＩｓｏｆｔｃｏｒｅｉｎｄｅｔａｉｌａｎｄａｎａｌｙｓｅｓｅｖｅｒｙｓｔｅｐｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｏｎａＳＯＰＣＢｏａｒｄｂａｓｅｄｏｎＡｌｔｅｒａＣｙｃｌｏｎｅＩＩＦＰＧＡ．Ｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｄｅ－ｓｉｇｎｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｒｅａｃｈｅｄ．ＴｈｅｐａｐｅｒｈａｓｕｎｉｖｅｒｓａｌｇｕｉｄａｎｃｅｔｏＮｉｏｓＩＩｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ．．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＳＯＰＣ；ＮｉｏｓＩＩ；ＰＷＭ；ＨａｒｄｗａｒｅＰｌａｔｆｏｒｍ；ＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔ

文章编号：１００８－０５７０（２００８）０６－１－０００７－０２

引言

随着电子技术和计算机技术的进步，在通讯、汽车电子、医疗、军事、仪器仪表等领域的嵌入式应用中，ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）的使用越来越广泛。由于ＦＰＧＡ成本低廉，可反复配置，面向市场速度快，很多领域可以替代ＡＳＩＣ。ＳＯＰＣ（可编程片上系统）是Ａｌｔｅｒａ公司开发的基于ＦＰＧＡ的一种ＳＯＣ解决方案。ＮＩＯＳＩＩ嵌入式软核处理器作为ＳＯＰＣ的核心，是一款通用的３２位ＲＩＳＣ处理器核。

移动机器人通常由微型直流电机驱动，ＰＷＭ（脉宽调制）是常用的直流电机控制信号。本文结合Ａｌｔｅｒａ公司的ＣｙｃｌｏｎｅＩＩ

ＦＰＧＡ芯片，以产生ＰＷＭ控制器为例，介绍ＦＰＧＡ硬件平台的设计方法和基于ＳＯＰＣ的系统设计方法。

１系统总体方案

ＰＷＭ信号的传统实现方法是通过模拟比较器产生，比较器的一端接参考电压Ａ，另一端接计数器的输出Ｂ，计数器对时

钟信号计数。因此调节计数器的模数和参考电压可以实现不同频率和不同脉宽比的ＰＷＭ信号。

传统方法电路复杂，控制精度不高。而由ＦＰＧＡ实现的ＰＷＭ控制器，具有控制稳定、精度高、效果好等优点。但是通常的ＦＰＧＡ实现方法是由硬件描述语言对ＰＷＭ控制器进行建模，其缺点是不能实时更改ＰＷＭ信号的频率和占空比。

随着嵌入式系统在ＦＰＧＡ内的实现，我们可以把ＰＷＭ控制器设计为ＳＯＰＣ系统的一个ＩＰ（元件），结合ＮＩＯＳＩＩ处理器和其它外设，来生成自定义的嵌入式系统，然后对嵌入式系统进行程序设计，用算法控制ＰＷＭ控制器生成ＰＷＭ波形。相比前一种方法，它的优势在于：１）把ＰＷＭ控制器设计成ＩＰ，因此大大提高了复用性，一旦设计完成，其它的用户可以方便的使用，而不用去了解其内部结构；２）可以设计该

ＩＰ的驱动程序，屏蔽底层操作，提供ＡＰＩ接口，应用程序通过

ＡＰＩ接口来访问控制器；３）参数化设计的ＰＷＭ控制器使得用户在应用程序中可以方便的通过ＡＰＩ接口来修改控制器

的参数，嵌入式系统一次设计完成，无需更改系统就可以实现任意参数的ＰＷＭ控制器。

针对基于ＳＯＰＣ和ＮＩＯＳＩＩ的ＦＰＧＡ嵌入式应用，设计并制

作了一块基于ＡｌｔｅｒａＦＰＧＡ的实验电路板。

并以此为基础，通过嵌入式系统设计和应用程序设计来实现一种灵活的ＰＷＭ控制

器。图１描述了方案的总体设计流程。

２系统硬件平台实现

系统硬件平台如图２所示。其核心是ＡｌｔｅｒａＣｙｃｌｏｎｅＩＩＦＰ－ＧＡ，提供可编程逻辑资源，可编程ＩＯ资源，用来实现任意数字逻辑和ＳＯＰＣ。同时，平台提供了两种ＦＰＧＡ芯片配置模式：ＪＴＡＴ和ＡＳ（ＡｃｔｉｖｅＳｅｒｉａｌ），ＪＴＡＧ通过ＵｓｂＢｌａｓｔｅｒ下载配置文件，ＡＳ通过ＥＰＣＳ１６配置芯片提供非易失性配置解决方案。平台也提供了大容量的外部存储设备，包括１６ＭｂｙｔｅｓＳＤＲＡＭ，

１Ｍｂｙｔｅｓ高速静态存储器ＳＲＡＭ，和１ＭｂｙｔｅｓＦｌａｓｈ。平台还提供丰富的输入输出设备：包括脉冲式按键、拨码开关、矩阵键盘、

ＬＥＤ、七段数码管、ＬＣＤ液晶显示、

扬声器。此外，为了方便与其他模块的连接，平台还提供了扩展电路接口，并提供ＲＳ２３２串

口模块来实现与主机的通讯。

３系统设计

系统设计主要分为两个部分：ＳＯＰＣ系统设计和ＮＩＯＳＩＩ应用程序开发。ＳＯＰＣ系统设计任务是在目标ＦＰＧＡ电路板上实现嵌入式系统；而程序开发则是生成的嵌入式系统基础上，调

余

毅：硕士研究生

图１总体设计流程

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技术创新

中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第６－１期

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《现场总线技术应用２００例》

控制系统

用系统函数，编写实现制定功能的用户程序。

３．１ＳＯＰＣ系统设计

结合上面介绍的ＦＰＧＡ硬件平台，我们设计了一个基于ＮＩＯＳＩＩ软核处理器的ＳＯＰＣ系统，其结构如图３所示。ＳＯＰＣ系统采用Ａｖａｌｏｎ总线结构，将系统的各个组件连接起来。其中ＮＩＯＳＩＩＰｒｏｃｅｓｓｏｒＣｏｒｅ，ＪＴＡＧＵＡＲＴ，ＳＤＲＡＭＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ等都由ＡｌｔｅｒａＩＰ库提供支持，经过参数配置后添加入系统。

图３中ＰＷＭ是自定义ＩＰ，其基本波形以及逻辑结构如图

４所示。其中Ｕｐｃｏｕｎｔｅｒ代表计数器，通过使用比较器，寄存器Ｃｌｏｃｋ＿ｄｉｖｉｄｅ用来设置ＰＷＭ信号频率，寄存器Ｄｕｔｙ＿ｃｙｃｌｅ用来设置占空比。逻辑结构中的三个寄存器是与Ａｖａｌｏｎ总线进行数据交换的接口，同时也为驱动程序提供了接口，用户应用程序通过调用驱动程序间接访问寄存器，对其进行读写操作，实现特定的ＰＷＭ控制器。将ＳＯＰＣ生成的系统添加入ＱｕａｒｔｕｓＩＩ项目中，与其他电路模块相连，并且正确的分配ＦＰＧＡ管脚后，就可以对整个项目进行编译。如果编译成功，将下载电缆连接到目标电路板，下载成功后，我们就在目标电路板上实现了带有ＰＷＭ控制器的可编程嵌入式系统。随后，我们可以调用系统函数对其进行程序设计，用软件的方式来灵活生成ＰＷＭ信号。

３．２ＮＩＯＳＩＩ软件设计

ＮＩＯＳＩＩ软件设计是指对已经下载到目标电路板的ＳＯＰＣ嵌入式系统进行程序设计。为了实现ＰＷＭ信号发生器，在ＮＩＯＳＩＩＩＤＥ开发环境下设计了一个ｃ语言应用程序。这里，给出程序头文件的部分代码，里面规定了ＰＷＭ信号发生器ＡＰＩ接口，调用某个ＡＰＩ函数便可实现特定功能，如ＩＯＷＲ＿ＰＷＭ＿ＣＬＯＣＫ＿ＤＩＶＩＤＥＲ（ｂａｓｅ，ｄａｔａ）函数实现对Ｃｌｏｃｋ＿ｄｅ－

ｖｉｄｅ寄存器写入数据，也就是指定ＰＷＭ信号频率。

其他函数不再一一例举，通过调用它们，可以实现３２位数据精度可变参数的ＰＷＭ信号发生器。

／／Ｃｌｏｃｋ＿ｄｅｖｉｄｅ寄存器接口函数，

＃ｄｅｆｉｎｅＩＯＲＤ＿ＰＷＭ＿ＣＬＯＣＫ＿ＤＩＶＩＤＥＲ（ｂａｓｅ）ＩＯＲＤ（ｂａｓｅ，０）＃ｄｅｆｉｎｅＩＯＷＲ＿ＰＷＭ＿ＣＬＯＣＫ＿ＤＩＶＩＤＥＲ（ｂａｓｅ，ｄａｔａ）ＩＯＷＲ（ｂａｓｅ，０，ｄａｔａ）

结论

使用ＮＩＯＳＩＩ进行嵌入式设计的优点在于：系统功能可以根据需求定制，硬件设计灵活可靠。将系统ＰＷＭ信号发生器输出端口通过电机驱动电路与微型直流电机相连，运行程序后，电机正常工作。

本文作者创新点：首次在微型直流电机驱动的移动机器人中，使用了基于ＮＩＯＳＩＩ的ＰＷＭ控制器，并对ＰＷＭ控制器实现过程进行了详细地阐述。

参考文献

［１］吴继华，

王诚。ＡｌｔｅｒａＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ设计．。人民邮电出版社，２００５

［２］ＭａｒｋＺｗｏｌｉｎｓｋｉ。ＤｉｇｉｔａｌＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｗｉｔｈＶＨＤＬ。Ｐｒｅｎｔｉｃｅ

Ｈａｌｌ，

２００２［３］郭文彬，

孙智权等。基于ＮＩＯＳＩＩ的ＵＳＢ接口模块设计。微计算机信息，２００６

［４］殷文春，

袁继侠。一种基于ＣＰＬＤ的ＰＷＭ控制电路设计。国外电子元器件，２００３

作者简介：余毅，男，清华大学精密仪器与机械学系，硕士研究生；马骋，男，清华大学精密仪器与机械学系，副教授；贾惠波，

男，清华大学精密仪器与机械学系，教授。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹｕＹｉ，Ｍａｌｅ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄ

Ｍｅｃｈａｎｏｌｏｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＭａｓｔｅｒＣａｎｄｉｄａｔｅ；ＭａＣｈｅｎｇ，Ｍａｌｅ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｃｈａｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓ－ｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆｅｓｓｏｒ；ＪｉａＨｕｉＢｏ，Ｍａｌｅ，Ｄｅｐａｒｔ－ｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｃｈａｎｏｌｏｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉ－ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．

（１０００８４北京清华大学精密仪器与机械学系）余毅马骋

贾惠波

（１０００８４ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｃｈａｎｏｌｏｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ）ＹｕＹｉＭＡＣｈｅｎＪＩＡＨｕｉ－ｂｏ

通讯地址：（１０００８４北京北京清华大学精密仪器与机械学系）

余毅

（收稿日期：２００８．３．２５）（修稿日期：２００８．５．１０）

电源

晶振５０Ｍｈｚ

ＲＳ２３２端口

Ｆｌａｓｈ（１Ｍｂｙｔｅｓ）

液晶显示模块

显示数码管

ＬＥＤ显示

ＥＰＣＳ１６ＵｓｂＢｌａｓｔｅｒ矩阵键盘按钮扩展电路

扬声器

ＳＲＡＭ（１Ｍｂｙｔｅｓ）

ＳＲＡＭ（１６Ｍｂｙｔｅｓ）图２ＦＰＧＡ硬件平台

ＪＴＡＧＩｎｔｅｒｆａｃｅ

ＡｌｔｅｒａＦＰＧＡ

ＪＴＡＧＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ＳＯＰＣＢｕｉｌｄｅｒＳｙｓｔｅｍ

ＪＴＡＧＵＡＲＴ

图３ＳＯＰＣ系统结构

图４ＰＷＭ波形及其Ａｖａｌｏｎ逻辑结构

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