基于NiosII的片上可編程系統(tǒng)_SOPC_實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)

1、基于Nios II的片上可編程系統(tǒng)(SOPC實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)朱科星,郁建平(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京211189摘要:介紹了一種基于Nios II軟核處理器的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng),并以此說明了SOPC思想及其實(shí)現(xiàn)途徑。該系統(tǒng)以一片PF G A為核心,結(jié)構(gòu)緊湊,體現(xiàn)了SOPC系統(tǒng)集成度高、靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。并且能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。關(guān)鍵詞:現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPG A;片上可編程系統(tǒng)(SOPC;Nios II;脈寬調(diào)制(PWM;直流電機(jī)中圖分類號:TM33;TP273+5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:167125276(20070120113203PWM R eg

2、ulating Speed System of DC Motor B ased on SOPC of Nios IIZHU K e2xing,YU Jian2ping(College of Mechenical Engineering,S outheast University,Nanjing211189,ChinaAbstract:This paper introduces a kind of s peed regulation for DC mortor based on the soft CPU core named Nios II,and then il2 luminates the

3、thinking and method of SOPC.A piece of FPG A is the core of the system,simple and compact,showsing high in2 tegration,flexibility,expandability of SOPC and reduction of the time of develo pment of product.K ey w ords:SOPC;Nios II;PWM;DC motor0引言SOPC是電子設(shè)計(jì)自動化EDA(electronics design au2tomation技術(shù)和大規(guī)模集成電

4、路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。SOPC技術(shù)的目標(biāo)是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)在一塊FPG A中實(shí)現(xiàn),使得所設(shè)計(jì)的電路在規(guī)模、可靠性、體積、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。SOPC的設(shè)計(jì)是以IP為基礎(chǔ),以硬件描述語言為主要設(shè)計(jì)手段,借助計(jì)算機(jī)為平臺的EDA工具,自動化、智能化地自頂向下進(jìn)行的過程。FPG A在邏輯實(shí)現(xiàn)上具有無與倫比的優(yōu)勢,但在運(yùn)算方面卻比不上DSP,而軟核處理器的出現(xiàn)充分利用高性能FPG A實(shí)現(xiàn)所需要的控制邏輯,通過軟核處理器完成軟件控制算法,設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單靈活、性能高的控制系統(tǒng)。Al2 tera公司的Nios II處理器使用32位的指令結(jié)構(gòu)(

5、ISA,能在高性能的Stratix或低成本的Cyclone芯片上實(shí)現(xiàn),具有非常多的可配置的寄存器,極大的可擴(kuò)展性以及功能。Altera公司提供的與之配套的支持C、C+語言的強(qiáng)大的開發(fā)工具SOPC Builder。直流電機(jī)是最常見和成本最低的小型電機(jī),并得到廣泛應(yīng)用。本文用Nios II實(shí)現(xiàn)對小型直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制 ,同時(shí)也介紹了SOPC解決實(shí)際問題的方法。1工作原理及系統(tǒng)硬件構(gòu)成改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法為勵(lì)磁控制法(控制磁通與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓。在眾多的電樞電壓控制方法中,脈寬調(diào)制(pulse width modulation技術(shù)因?yàn)樾栌玫拇蠊β士煽仄骷?、線路簡單、調(diào)速范圍寬

6、、電流波形系數(shù)好、附加損耗小和功率因數(shù)高,從而得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)用SOPC實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的PWM調(diào)速,系統(tǒng)集成度高,電路簡單,并且升級拓展空間很大。實(shí)現(xiàn)幾路PWM,也可以通過添加客戶定制邏輯隨意實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)中使用一片Cyclone FPG A芯片中定制的Nios II處理器作為中央處理器。FPG A中還包括鎖相環(huán)、CPU同外部設(shè)備的接口,EPCS4用來上電時(shí)對FPG A進(jìn)行配置。在電機(jī)控制中,為了提高系統(tǒng)的抗干擾性,在FPG A電路和電機(jī)驅(qū)動放大電路之間加了光電耦合器(TL P521以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。專用集成電路L298內(nèi)部集成了兩個(gè)H橋以及橋臂上

7、開關(guān)管的推動電路、防止橋臂M achi ne B uil di ng&A utomation,Feb2007,36(1:113115113直通的控制邏輯電路。其片內(nèi)有兩個(gè)相同的模塊,可以控制兩個(gè)直流電機(jī),Nios II 提供的兩路PWM信號提供調(diào)速控制。每個(gè)模塊有3個(gè)控制輸入端:一個(gè)使能端和兩個(gè)方向控制端。如圖所示Nios II 產(chǎn)生的PWM 信號經(jīng)過光電耦合器連接到L298芯片的使能端。由于光電耦合器具有反相器作用,PWM 信號中的高電平持續(xù)時(shí)間部分對應(yīng)直流電機(jī)的斷電時(shí)間。從Nios II 的PIO 輸出的信號送入L298的方向控制端。這樣,就實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和制動狀態(tài)控制。L2

8、98的驅(qū)動電路如圖2所示: 圖2L298驅(qū)動電路其電機(jī)控制方向引腳如表1所示;表1L298控制信號與直流電機(jī)轉(zhuǎn)向關(guān)系表ENA (B IN1(IN3IN2(IN4電機(jī)運(yùn)行情況H L L 正轉(zhuǎn)H LH反轉(zhuǎn)H 同IN2(IN4同IN1(IN3快速停止LXX停止L298芯片驅(qū)動負(fù)載的電源電壓最大為46V ,單橋的驅(qū)動電源接近2A ,最大開關(guān)頻率不小于40kHz 。與分立元件構(gòu)成的橋式驅(qū)動電路相比,電路結(jié)構(gòu)簡化,性能更加可靠。本系統(tǒng)還使用了光電編碼器對電機(jī)進(jìn)行速度檢測反饋給Nios II ,從而實(shí)現(xiàn)了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2Nios II 處理器的定制Nios II 嵌入式處理器特征如表2所示。2.1本系

9、統(tǒng)Nios II 處理器結(jié)構(gòu)在本系統(tǒng)中,Nios II 處理器作為實(shí)現(xiàn)控制的中央處理器,Nios 處理器的特點(diǎn)之一就是Avalon 總線,它是連接片上處理器和其他IP 模塊的一種簡單的總線協(xié)議,規(guī)定了主部件和從部件之間進(jìn)行連接的端口和通信的時(shí)序。Avalon 總線是一種相對簡單的總線結(jié)構(gòu),主要用于連接片內(nèi)處理器與外設(shè),以構(gòu)成片上可編程系統(tǒng)(SOPC 。定制中本系統(tǒng)中還加入了以下模塊:并行輸入/輸出口(PIO 、異步收發(fā)器(UART 、定時(shí)器(Timer 、片上表2Nios II 嵌如式處理器特征表種類特性CPU 結(jié)構(gòu)32位指令集32位數(shù)據(jù)線寬度32個(gè)通用寄存器32個(gè)外部中斷源2G Byte 尋

10、址空間片內(nèi)測試基于邊界掃描測試(J TA G 的調(diào)試邏輯、支持硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)觸發(fā)以及片外和片內(nèi)的測試跟蹤定制指令最多達(dá)256個(gè)用戶定義的CPU 指令軟件開發(fā)工具Nios II 的集成開發(fā)環(huán)境(IDE 基于GNU 的編譯器硬件輔助的調(diào)試模塊RAM 和ROM 、提供PWM 信號的客戶定制邏輯,即自定制Avalon 從外設(shè)。2.2自定制Avalon 從外設(shè)由于Nios II 是一個(gè)位于FPG A 中的處理器軟核,定制其外設(shè)就顯得比較容易,其中的Nios 處理器與用戶可定制邏輯結(jié)構(gòu)。對于自定制的Avalon 外設(shè)按照對Avalon 總線操作的不同可以分為兩類:Avalon Slave 外設(shè)和Avalo

11、n Streaming Slave 外設(shè),對于Avalon Slave 外設(shè)只是作為Avalon 總線的一個(gè)Slave 元件來處理,而Streaming Slave (流模式外設(shè)則需要使用Avalon 總線的傳輸模式,外設(shè)的設(shè)計(jì)也要復(fù)雜許多。本設(shè)計(jì)中的PWM 客戶可定制邏輯是基于Avalon Slave 的設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)要求:1信號的周期可調(diào);2脈沖的寬度可調(diào);3可以控制PWM 的輸出使能。涉及的Avalon 信號如表3:表3涉及的Avalon 信號CL K 時(shí)鐘reset 復(fù)位chipselect 片選address地址write 寫信號read 讀信號writedata 寫數(shù)據(jù)(32位re

12、addata 讀數(shù)據(jù)(32位byteenable字節(jié)使能(4位SOPC Builder 中的硬件配置如圖3所示。SOPC Builder 將定制的處理器轉(zhuǎn)化為Verilog HDL 等具體的設(shè)計(jì)文件,還根據(jù)定制的結(jié)果,自動生成針對特定硬件環(huán)境的C 語言和匯編語言的頭文件以及函數(shù)庫。Quartus II 中的Nios II 系統(tǒng)模塊原理圖如圖4所示:114http :/ZZHD E 2mail :ZZHD 機(jī)械制造與自動化 圖3SOPC Builder中的硬件配置 圖4Nios II 系統(tǒng)模塊原理圖3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) Nios II 處理器的軟件設(shè)計(jì)方法是在軟核內(nèi)存放一段自己編寫的監(jiān)控程序,控制其運(yùn)

13、行,它可以讀寫芯片的存儲單元,與外圍的設(shè)備進(jìn)行通訊。在本系統(tǒng)中,Nios II 程序的任務(wù)是:在規(guī)定的控制周期內(nèi),通過UART 模塊得到上位機(jī)發(fā)出的控制任務(wù)及控制參數(shù),接受與直流電機(jī)同軸的光電編碼器的反饋信號,經(jīng)CPU 計(jì)算和處理后得到糾正后的PWM 控制參數(shù)并傳達(dá)給客戶定制的PWM 模塊,由PWM 模塊輸出相應(yīng)的PWM 信號實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)PWM 調(diào)速控制。Nios II 集成開發(fā)環(huán)境(IDE 是Nios II 系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在Nios II IDE 下完成,包括編輯、編譯、調(diào)試程序和下載。程序用C 語言編寫,主程序流程圖如圖5所示。4結(jié)束語本設(shè)

14、計(jì)是基于N IOS II 的SOPC 的直流電機(jī)的PWM 調(diào)速系統(tǒng),由于SOPC 技術(shù)在先天上有著巨大的靈活性,所以構(gòu)建了這樣的系統(tǒng),在系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可移植性等方面,都有著無可比擬的優(yōu)勢。不僅如此,基于Nios II 進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)還能大大縮短硬件開發(fā)周期,提高設(shè)計(jì)的可靠性。SOPC Builder 提供了豐富的IP 模塊,使得軟核可定制的功能非常強(qiáng)大。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,還可以很方便地利用SOPC 的靈活性和可擴(kuò)展性,配合Nios II 軟核的強(qiáng)大功能加以擴(kuò)展和升級,移植到更多的實(shí)際應(yīng)用中去。參考文獻(xiàn):1EDA 先鋒工作室1Altera FPG A/CPLD 設(shè)計(jì)M .北京:人民郵電出版社,200512王建校,危建國1SOPC 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐M .西安: