基于FPGA简易数字频率计设计

1、基于FPGA的简易数字频率计设计摘要本设计是基于FPGA的一个简易数字频率计,利用Verilog硬件描述语言设计实现了频率计内部功能模块,采用了等精度测量的方法,并结合NIOS软核CPU嵌入FPGA,构成SOPC 系统,利用NIOS软核对数据浮点运算处理,管理人机交换界面实时显示,跟传统FPGA+单片机的多芯片系统方案相比更加灵活,系统体积小和功耗小等优势,具备软硬件在系统可编程的功能。本设计测量频率的方法采用的是等精度测量法,相比直接测频法和测周法有精度更高的特点。前端信号输入调理采用宽带放大器AD811对微弱信号进行放大,经过比较器整形调理后,FPGA进行采用测量,系统实时性好,精度高。关

2、键词:等精度频率计 FPGA NIOS VerilogThe Design Of Simple Digital Frequency Meter Base On FPGAABSTRACTThe design is based on FPGA digital frequency of a simple plan, use V erilog hardware design realized the frequency of internal function module, the accuracy of the measurement method, etc NIOS and FPGA, soft

3、 nuclear CPU embedded systems, using the SOPC constitute NIOS soft check data management man-machine floating point calculations, exchange, with real-time display interface chip traditional FPGA + MCU solutions, system is much more flexible than small volume and low consumption, have advantages of h

4、ardware and software systems in programmable functions.This design method of measuring frequency by measuring method is compared with direct frequency measurement method, and the measuring accuracy of ZhouFaY ou characteristics. Front-end signal input by AD811 amplifier to recuperate broadband ampli

5、fication, weak signal by comparator plastic, after using measurements on FPGA, system of good real-time, high precision.Key words:Equal precision Frequency counter FPGA NIOS Verilog目录摘要- I ABSTRACT - II1 概述 - 12 系统方案分析及比较选择-3 2.1方案构想- 32.2方案比较及选用依据:- 43 工作原理及其系统框图- 5 3.1计数式直接测频法 - 5 3.2计数式直接测周期 - 63

6、.3等精度测量原理- 74 硬件系统实现- 10 4.1硬件系统原理图 - 10 4.1.1放大电路的选择- 10 4.1.2 整形电路- 13 4.2FPGA控制电路- 15 4.2.1 FPGA芯片选型- 15 4.2.2 FPGA最小系统搭建- 16 4.3FPGA内部模块- 19 4.3.1系统总体框图- 194.3.2 同步预置模块- 20 4.3.3 频率计数模块、时间计数模块- 214.3.4 数据输出模块,计数器清零模块- 215 软件系统实现- 23 5.1主程序框图- 23 5.2N IOS II软核- 23 5.3.NIOS外部接口与内部介绍- 24 5.3.1 nios

7、软核原理框图- 245.3.2 nios软核外部接口- 246 遇到问题,分析问题,解决问题- 25 6.1输入阻抗问题- 256.2放大器选择问题 - 257 电路抗干扰措施- 268 系统指标测试- 279 结束语- 28 参考文献- 29 附录1:FPGA硬件描述语言代码- 30 附录2:NIOS C语言程序代码- 33 谢辞- 401 概述随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,特别是单片微机和片上可编程系统的出现和发展,使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化,形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路,使仪

8、器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。传统的频率计测量误差较大,等精度频率计以其测量准确、精度高、方便等优势将得到广泛的应用。频率计是电子计数器的一种,在电子技术领域内,频率与电压一样,也是一个基本参数。目前,随着电子技术、微电子技术、数字技术、计算机科学的发展,电子计数器已经大量采用大规模、超大规模集成电路,尤其是与微处理器相结合,实现了程控化和智能化,频率计不断得到发展和完善。尤其是近代以来,随着电子工业的飞速发展,EDA技术的问世,新型的频率计具有测量精度高、速度快、自动化程度高、直接数字显示、操作简便等特点。在此基础上附加参数转换电路,可以完成多参数、多功能测量,应用前景非

9、常广阔。传统的测频方法有直接测频法和测周法,在一定的闸门时间内计数,门控信号和被测信号不同步,计数值会产生一个脉冲的误差。等精度测频法采用门控信号和被测信号同步,消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。采用FPGA作为控制核心的等精度频率计,可以充分利用FPGA高速数据采集技术较容易实现等精度测频。通过FPGA对同步门的控制,使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将电子计数功能转为测周期,采用多周期同步测量技术,实现等精度测量。随着电子设计技术的飞速发展,专用集成电

10、路ASIC、用户现场可编程门阵列(FPGA及复杂可编程逻辑器件(CPLD的复杂度越来越高,数字通信、工业自动化控制等领域所用的数字电路及系统的复杂程度也越来越高。设计这样复杂的电路及系统也不再是简单的个人劳动,而需要综合许多专家的经验和知识才能够完成。硬件描述语言Verilog顺应这种潮流,迅速发展,目前已得到广泛的应用。FPGA的结构灵活,其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程,可以实现任何逻辑功能,满足各种设计需求。其速度快,功耗低,通用性强,特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构(可以在系统运行的不同时刻,按需要改变电路的功能,使系统具备多

11、种空间相关或时间相关的任务及硬件软化、软件硬化等功能。在大多数的研制过程中,人们习惯把FPGA技术跟MCU技术相结合的方式来完成设计。FPGA有速度快,灵活等特点,速度快的优势来源于FPGA的硬逻辑方式。由于FPGA的逻辑功能全部用硬件电路实现,故所有的延迟只来源于门电路,而一般门电路的延迟都在ns级别。但与MCU相比,FPGA实现的功能较为简单。你无法想象用硬件电路可以实现一个windows操作系统。所以人更习惯把FPGA在绝大多数系统中充当配角,比如,为系统的主控MCU扩展某种接口等等。现在,FPGA有向MCU发展的趋势。当然,最终FPGA不会变成MCU,最终FPGA会发扬其优点,成为比M

12、CU更为强大的东西。目前有些FPGA已带有模拟IO,很多FPGA可嵌入8051,ARM等软核,尽管现在由于成本等因素,这类应用并不多,但是这个发展路线不会错。一些厂商已经考虑把软核变成硬核,也就是在FPGA中嵌入MCU,一旦类似的产品出现,实现systerm on one chip便变得非常容易。本设计采用的就是目前相对成熟的NIOS软核嵌入到FPGA中实现SPOC。2 系统方案分析及比较选择2.1 方案构想方案一:系统测频部分采用中小规模数字集成电路,用机械式功能转换开关换档,完成测频率功能。该方案的特点是中小规模集成数字电路应用技术成熟,能可靠的完成频率计的基本功能,但由于系统功能要求较高

13、,所以电路过于复杂。而且多量程换档开关使用不便。此方案对输入信号作分频整形处理后,再与1秒脉宽带信号共同输入与非门,其输出作为计数脉冲,由计数器计数,然后锁存、译码输出到数码管显示。原理框图如图2-1所示。 图2-1 中小规模数字集成电路方案框图方案二:采用MCS-51系列单片机,将欲测量的输入信号(1Hz10MHz进行限幅、放大、整形和分频处理,利用单片机进行频率、周期的测量和计算处理,运算结果并行输出到数码显示。如图2-2所示,显然此种方案由于采用单片机技术,利用定时器计时一段时间,在通过计数器在这段时间内计数,实现用计数法测量频率。 图2-2 基于单片机方案框图方案三:采用FPGA+ n

14、ios软核cpu组合,外围信号输入电路经放大整形调理,fpga采集模块负责输入信号的采集,nios负责对采集信号的运算及人机界面的控制,如图2-3所示,为了进一步提高测量频率的精度和实时性,采用等精度测量频率,用FPGA可以容易实现等精度频率的测量。放大、整形50Mhz晶振频率计数器时间计数器同步预置阀门阀门NIOS软核cpu显示FPGA图2-3 基于FPGA方案框图2.2 方案比较及选用依据:显然方案二要比方案一简洁、新颖,但从系统设计的指标要求上看,要实现频率的测量范围1Hz10MHz,但由于使用的是计数法测量频率,在频率较低时会产生较大的误差,方案三利用FPGA高速的信号采集处理能力,采

15、用等精度测量频率,在整个频率范围测量内都能达到相同的精度,不随频率变化而变化测,因此选用方案三作为具体实施的方案。3 工作原理及其系统框图常见的测量原理有三种计数式直接测频法、计数式直接测周法、等精度测量法。3.1 计数式直接测频法计数式直接测频的原理方框图如图3-1所示。 放大、整形主门1 0计数显示N Ts 晶振分频器0.1s 1s10s 信号输入图3-1 直接测频法原理图其中主门具有与门的逻辑功能,主门的一个输入端送人的是频率为fx 的窄脉冲。它是由被测信号经放大整形后得到的,主门的另一个输入端送入的是来自门控闸门信号时间Ts 。因为门控是受时基控制,所以Ts 既准确有稳定。设计时通过晶

16、振和分频器的配合,可以获得0.1s 、1s 、10s 等闸门时间,由于主门的与功能,其输出端只有在闸门信号Ts 有效期间才有频率fx 的窄脉冲输出,并送到计数器去计数,计数值为N=Ts/Tx=Ts*fx ,它与被测信号的频率fx 成正比,由此可得fx=N/Ts (3.1 由上式可知,当闸门时间Ts 为1s 时,N 值即为被测信号的频率。计数式直接测频方法由于主门的开启时间与被测信号之间不同步,而使计数器值N 带有±1量化误差,且当被测信号频率越低时,该量化误差的影响越大,若再考虑由晶体振荡器引起的闸门时间误差,则对式(3.1进行误差的累积与合成运算后,可得到计数式直接测频误差的计算公

17、式如下:1(fc fcTsfx Ts TsN Nxfx fx+±=-= (3.2上式右边第一项为量化误差的相对值,其中Nx=±1,第二项为闸门时间的相对误差,数值上等于晶体振荡器基准频率的相对不确定度fc/fc 。分析表明,在fx 一定时,闸门时间Ts 选得越长,测量准确度越高,而当Ts 选定后,fx 越高,由于±1误差对测试结果的影响减小,测量准确度越高。但是随着±1误差影响的减小,闸门时间自身的准确度对测量结果的影响不可忽略,这时可认为fc/fc 是计数式直接测频率准确度的极限。3.2 计数式直接测周期周期测量基本原理图如图3-2所示: 主门 1 0

18、计数显示NKTx 晶振分频器0.1s 1s 10s 信号输入放大、整形分频器KTx To图3-2 直接测周法原理图与计数式直接测频原理方框图相比,其中门控改由输入信号放大、整形和分频后的脉冲控制,所以闸门时间的宽度就等于K 倍被测信号的周期KTx ,而主门的另一个输入端有晶体振荡器和分频器产生周期为T0的时标脉冲信号。由于主门的与功能,它只在kTx 期间有时标脉冲信号输出,并由计数器计数,其值为N 。不难看出,被测信号的周期为: Tx=NT0/K (3.3与计数式测频类似,由于Tx 和T0之间也不是同步的,所以计数值N 也带有±1量化误差;此外,由于晶振的不确定度,时标的周期T0也存

19、在误差;最后,由于被测输入信号中噪声的影响,使经放大整形后的脉冲周期Tx 中还引入一种触发误差。对式(3.3进行误差累积和合成的运算,可以得到测周期误差的计算公式如下: +±+=+-=-20/00001032.0R x X x x k fc fc k f T T T fc fc kT T N T T N NxTx Tx (3.4上式右边第一项为量化误差的相对值,其中计数误差Nx=±1;第一项为时标的相对误差;第三项为触发误差,其中R 为被测信号Vx 与噪声Vn 比,可有公式R=20lg (Vx/Vn 计算(单位dB 。要降低触发误差,就必须增大信噪比R ,并采用多周期测量,

20、还可以在整型电路中采用具有滞回特性的施密特电路来减小噪声的影响。分析表明,在倍率K 和时标T0固定是,与测频率相反,测量周期的误差随被测信号的频率升高而增大;此外,由于有限的信噪比,是触发误差成为影响测量周期准确度的主要因素,采用多周期测量可以有效的降低触发误差的影响。3.3 等精度测量原理与直接测量法相比,等精度测量法的优点是,可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率,图3-3(a 所示,其工作原理时间波形图如3-3(b 所示。 同步后的闸门预设阀门D QC 放大整形阀门A时钟发生器阀门B计数器A计数器B 运算电路显示器同步电路脉冲U0事件计数器时间计数器fc fx 信号输入图3-3(

21、a 等精度原理图fx 为输入信号频率,fc 为时钟脉冲的频率。A 、B 两个计数器(分别为时间计数器和时间计数器在同一闸门时间T 内分别对fx 和fc 进行计数。计数器A 的计数值Na=fxT ,计数器B 的计数值为Nb=fcT 。由于Na/fx=Nb/fc=T,则被测频率fx 和周期Tx 分别为 T N f N N f A c B A x = (3.5c A B x T N N T =(3.6式(3.5中T=Nb/fc ,为时钟的周期。 图3-3(a 中的同步电路(D 触发器的作用在于使计数闸门信号与被测信号同步,实现同步开门,并且开门时间T 准确地等于被测信号周期的整数倍,故式(3.5、式

22、(3.6中的计数值Na 没有±1量化误差,计数值Nb 虽然有±1量化误差,但由于fc 很高,Nb 1,所以Nb 的±1量化误差的相对值为(±1/Nb 很小,且该误差与被测频率fx 无关,因此在整个测频范围内,倒数计数器能够实现等精度的测量。该测试方法需要的除法运算功能,由于有加入NIOS 微处理器所以不难实现。 预置闸门脉冲P输入信号放大整形后fx同步后的闸门U计数器A 计数Na时钟信号Fc计数器B 的计数NbT图3-3(b 等精度原理波形图 图3-3(a 中的预置闸门脉冲相当于普通计数器的闸门时间脉冲,通常有10s ,1s ,0.1s 等值,在倒数计数

23、器中该阀门被同步化闸门T 取代,从而使A 计数器消除了±1量化误差,这正是它能够获得很高的等精度测量效果的关键所在,但同步化闸门T 也是未知量,所以需要增加另一个计数器B 来测量T 的宽度,通过其计数值Nb 来计算出T 的宽度,再根据频率的定义,由公式fx=Na/T 就能计算出被测信号的频率。其中Na 为计数器A 的计数值,若将T=Nb/fc 代入次式,就可得到与式(3.5、(3.6一样的结果。考虑计数值Nb 中的±1量化误差、时钟fc 的不确定度和同步门T 的触发误差时,根据式(3.5、(3.6可推导出测量误差计算公式如下: +±=-20/1032.0R c x

24、 c x X x xk f f T T T T f f (3.7 式(3.7中R=20lg (Ux/Un ,为输入被测信号的信噪比,k 为多周期倍率。与式(3.2式(3.4相比较,式(3.7中没有对被测信号计数引起的±1量化误差,只有Nb 计数器在同步门T期间的±1计数误差Tc,而且与被测信号的频率无关,即在整个测量段上是等精度的。假定输入通道放大器的制作工艺较高,它所产生的噪声可以忽略,这时触发误差仅由被测信号本身质量来决定,在评价测量方法时只应考虑内因,而不考虑外因,也即不考虑式(3.7中第三项。以典型数据为例,频率基准的不确定度f c/fc通常为10-710-9,假设

25、时钟频率为10Mhz,则TC等于0.1us,若闸门选为1s,则Nb的±1计数误差Tc/T仅为10-7.由此可见,这时等精度测量的精度在整个频段上均可达10-7量级。4 硬件系统实现4.1 硬件系统原理图+_+5V +_+5V R2R1信号输入宽带放大器过零比较器FPGA +5V -5V -5V图4-1 硬件电路原理图 当被测信号进入频率计系统,需先经过宽带放大器,在经过比较器输出TTL 电平。输入通道对200mV 5V 、频率从1Hz 到10MHz 的信号进行放大和整形,成为TTL 电平的标准数字信号。4.1.1放大电路的选择本系统在设计放大电路比较多种方案来实现,通过不断改进来达到

26、系统要求的性能。对放大电路的要求是把0.5V3V 的信号转换为TTL 电平,频带宽度为1hz10Mhz ,所以放大电路应具有较大的输入阻抗、较小的输入电流、较强的抗干扰能力,并有很宽的通频带(1Hz 10MHz 和输出幅值达到TTL 电平幅值。有以下几种方案。(1高频三极管三极管是一种控制元件,主要用来控制电流的大小,以共发射极接法为例(信号从基极输入,从集电极输出,发射极接地,当基极电压U B 有一个微小的变化时,基极电流I B 也会随之有一小的变化,受基极电流I B 的控制,集电极电流I C 会有一个很大的变化,基极电流IB 越大,集电极电流I C 也越大,反之,基极电流越小,集电极电流也

27、越小,即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多,这就是三极管的放大作用。I C 的变化量与I B 变化量之比叫做三极管的放大倍数(=I C /I B , 表示变化量。采用单级高频三极管:如图4-2所示,三极管工作在放大信号时,首先要进入导通状态,即要先建立合适的静态工作点,否则放大信号会出现失真。在三极管的集电极与电源之间接一个电阻,可将电流放大转换成电压放大:当基极电压U B升高时,I B变大,I C也变大,I C在集电极电阻R C的压降也越大,所以三极管集电极电压U C会降低,且UB越高,UC就越低,U C=U B。 图4-2 单级三极管放大电路该电路参数

28、达到在100Hz到1.5MHz频段中电压增益20DB。而更高频段三极管放大倍数锐减,显然一级的三极管放大电路增益带宽积满足不了要求。采用多级晶体三极管:使用射极输出器作为输入级,以提高输入阻抗。中、后级作为放大级,级与级之间电容耦合,前后级静态工作点相互独立,互不影响。使用截止频率为1000MHz的三极管9018做放大级,由于放大器本身特性受到结电容影响,在高频时放大倍数下降,为补偿高频段放大倍数的下降,采用了RC高频补偿电路。实验情况如下图4-3所示。在图中,由于低频不能通过 103,而通过220uF,信号被衰减,而在数百千赫兹以上的高频带,由于电容电抗减小,所以信号不衰减。这就达到了降低低

29、频增益、使频率特性均匀的目的。 图4-3 三级三极管放大电路本电路经过多次调试,参数仍不能达到题目的要求,且外围电路比较复杂,各偏置电阻受各三极管质量参次不齐需逐个调试,因而分立元件不予考虑,下面使用集成电路进行实验。(2采用集成运算放大器运算放大器是集成器件,集成电路中大量使用有源器件组成的有源负载,以获得大电阻,提高放大电路的放大倍数;将其组成电流源,以获得稳定的偏置电流。所以一般集成运放的放大倍数与分立元件的放大倍数相比大得多。而且其相对精度好,故对称性能好,特别适宜制作对称性要求高的电路。AD811是一款宽带放大器,在增益为10的情况下,频带宽带可达到10M以上,可以轻松满足系统的要求

30、。 图4-5 增益-带宽图4-4 AD811 电路图4.1.2 整形电路(1施密特整形电路施密特整形电路具有回滞比较特性,利用多级反相器对放大后的波形进行施密特整形,使输出变为脉冲波形。由于CMOS门电路有一个固定的阀值电平,对于信号脉冲中低于阀值电平的部分,门电路的输入端不予响应。利用门电路的这一特点,常将其直接用于对脉冲的整形。在实际电子电路中,集成门电路是其中应用最多的电路之一。如图4-6所示。 图4-6 74HC04原理图它的用途除了作控制门之外,还用来组成时钟脉冲发生器。由于一块集成门电路中往往包含几个独立的门电路,在组成一些电路的主要结构之后总有一些多余的部分。可以利用这些多余的部

31、分来作脉冲的整形、反相以及放大等用途。对于某些要求较高的电路,直接用门电路整形,有时还不能满足要求,而是将门电路组成一个施密特触发器,利用施密特触发器的滞后特性,使脉冲的整形符合电路的要求。 图4-7 74HC04串联本系统使用74HC04六反相器,采用串联三个配合前置放大电路输出的反相位,使整形信号保持不失真状态。而由于采用了HC型号,输出转换时间t THL / t TLH仅为7ns,能够满足系统要求。(2采用比较器集成电压比较器比集成运放的开环增益低,失调电压大,共模抑制比小;但其响应速度快,传输延迟时间短,而且可将模拟信号转换成二值信号,即只有高电平和低电平两种状态的离散信号,不需外加限

32、幅电路就可直接驱动TTL、CMOS等集成数字电路。如图4-8所示。 图4-8 比较器电路原理所以采用比较器可以简单地地完成设计。采用高速比较器MAX901可以处理高达10MHz 的输入信号。MAX901有低输入失调电压和电压范围灵活等特点,响应时间最大仅7ns,输出电平可与TTL电平相配合,且在后置电路中不需整形电路,大大简化了电路设计。综合考虑使用比较器作为整形电路。4.2 FPGA控制电路4.2.1 FPGA芯片选型FPGA系统是整个硬件系统的核心,它既是协调整机工作的控制器,又是数据处理器,本设计使用Altera公司生产的Cyclone II系列的EP2C5Q208作为控制核心。如下图4

33、-9所示。 图4-9 EP2C5 引脚图在Altera大获成功的第一代Cyclone 器件系列基础之上,Cyclone II FPGA从根本上针对低成本进行设计,为成本敏感的大批量应用提供用户定制特性。Cyclone II FPGA以低于ASIC的成本实现了高性能和低功耗。Cyclone II FPGA由使用方便的免费Quartus II 网络版设计软件、多种知识产权(IP和硬件开发套件提供支持,可以迅速实现低成本FPGA方案开发。Cyclone II 器件提供针对低成本应用的用户定制FPGA特性,其密度分布范围广,含有丰富的存储器和嵌入式乘法器,并提供多种封装选择。Cyclone II 器件

34、还支持低成本应用中常见的各种外部存储器接口和I/O协议。Cyclone II 接口和协议应用。Altera Cyclone II采用全铜层、低K值、1.2伏SRAM 工艺设计,裸片尺寸被尽可能最小的优化。采用300毫米晶圆,以TSMC成功的90nm工艺技术为基础,Cyclone II器件提供了4,608到68,416个逻辑单元(LE,并具有一整套最佳的功能,包括嵌入式18比特x18比特乘法器、专用外部存储器接口电路、4kbit嵌入式存储器块、锁相环(PLL和高速差分I/O能力。本设计所选FPGA型号EP2C5,参数如表4-1所示表4-1Cyclone II FPGA简介器件EP2C5 EP2C

35、8 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70逻辑单元4,608 8,256 18,752 33,216 50,528 68,416M4K RAM块26 36 52 105 129 250(4 k比特+ 512 校验比特总比特数119,808 165,888 239,616 483,840 594,432 1,152,000嵌入式18x18乘法器13 18 26 35 86 150PLLs 2 2 4 4 4 4最多用户I/O 管脚142 182 315 475 450 622差分通道58 77 132 205 193 2624.2.2 FPGA最小系统搭建(1电源模块 图4-10

36、 电源模块3.3V电源直接由5V输入电源经LM1085稳压芯片并经滤波得到,用于给FPGA所以IO口、外围存储电路、串行配置器件、复位电路等供电,1.2V电源由LM1117-1.2稳压并经滤波得到,给FPGA内核已经FPGA里面集成的PLL供电。(2存储电路a.SDRAM存储器SDRAM通常用于需要大量存储并且有成本要求的系统,SDRAM比较便宜,但需要实现刷新操作、行列管理、不同延时和命令序列等逻辑。Nios II SDRAM控制器完成了SDRAM 的所有逻辑,可实现Avalon总线接口、透明的SDRAM初始化处理,刷新和其他SDRAM需要的操作,SDRAM与FPGA相连,SDRAM控制器(

37、IP核允许Nios II 处理器将SDRAM器件作为大容量线性可寻址存储器使用,因此用户只需要通过简单的操作就可以像使用SRAM 一样使用SDARM。本设计使用的是32M的K4S561632H。电路图如图4-11所示。 图4-11 SDRAM模块b.串行配置存储器EPCSCyclone系列FPGA基于SRAM查找表,在器件上电时配置数据必须重新加载,因此必须使用掉电保持的器件来保存配置数据,然后在FPGA上电时将配置数据加载到FPGA中。 Altera串行配置器件是具有串行接口的Flash器件,可存储Cyclone、Cyclone II 以及Stratix II系列器件的配置数据,并在上电或者

38、重新配置时将配置数据装入FPGA器件。本设计选用的是EPCS4,拥有4M的存储空间足以满足中小型设计的要求,电路如图4-12所示。 图4-12 EPCS、配置电路(3配置电路a.主动配置(ASP在脱机运行情况下,采用串行配置器件EPCS进行主动配置AS,主动串行配置模式(AS是将配置数据存储在串行配置器件EPCS中,在每次系统上电时FPGA会自动使用EPCS中的配置数据进行配置,在脱机运行之前,要实现将配置数据通过编程器写入EPCS中,ASP 电路图如图b.JATG配置调试时,使用运行在计算机上的quartus ii软件,用过JATG电缆连接到JATG接口直接下载数据到FPGA,用户随时可以进

39、行JATG模式的配置,但要注意JTAG模式是直接对FPGA 中SRAM单元编程掉电后丢失,因此重新上电要重新下载。电路图如图(4其他电路a.显示电路人机界面采用的是12864LCD液晶,人机界面亲和力好2010届本科生毕业设计b .晶振电路晶振选用的是有源晶振50Mhz ,电路图如图4-13所示。 图4-13 晶振电路4.3 FPGA 内部模块4.3.1系统总体框图如图4-14,FPGA 系统内部设计由同步预置阀门、频率计数器、时间计数器、PLL 、NIOS 软核组成。波形原理图如图4-15所示。频率计数器时间计数器分频为1hz 同步预置阀门阀门NIOS 软核cpuFPGAPLL50M 晶振被

40、测信号输入f_in50Mhz图4-14 系统框图 预置闸门脉冲P输入信号放大整形后fxT同步后的闸门U计数器A计数Na时钟信号Fc计数器B的计数Nb图4-15 波形原理图图4.3.2 同步预置模块本设计取样为自触发,周期为1s,即每个1s从信号输入端口读取脉冲,阀门时间也是1s,Verilog程序如下:always(posedge clk or negedge resetbeginif(!resetcnt<=0;elseif(cnt=26d100/为仿真方便假设计数100为1s,实际程序为50000000;begincnt<=0;clk_1hz<=clk_1hz;endels

41、e cnt<=cnt+1b1;endalways(posedge f_in or negedge reset / posedge f_in 同步化闸门脉冲beginif(!resetu<=0;elseif(clk_1hzu<=1; /u=1时启动预设闸门elseu<=0;end4.3.3 频率计数模块、时间计数模块always(posedge f_in or negedge reset /同步f_in上升沿beginif(!resetbeginfcounter=0;endelseif(ufcounter=fcounter+1b1;/当u=1允许计数,且f_in上升沿触发

42、else if(clearfcounter<=0;endalways(posedge clk or negedge reset beginif(!resetbegintcounter<=0;endelseif(utc ounter<=tcounter+1b1;/当u=1允许计数,时间计数器计数else if(cleartcounter<=0;end4.3.4 数据输出模块,计数器清零模块always(negedge u or negedge resetbeginif(!resetbeginfout<=0;tout<=0;endelseif(!ubeginfo

43、ut<=fcounter;tout<=tcounter;endendreg clear_buff;always(posedge clk or negedge resetbeginif(!resetbeginclear<=0;clear_buff<=0;endelseif(!ubeginclear_buff<=1b1;/clear buff 延时一个clk输出清零命令clear<=clear_buff;endelsebeginclear_buff<=0;clear<=0;endend系统仿真图如图4-16所示 图4-16 仿真波形图5 软件系统实现

44、5.1 主程序框图初始化读取计数器输出计算频率显示图5-1 软件流程图本设计的主要工作已经在FPGA里完成,NIOS只是读取FPGA发送过来的两个数据,一个是频率计数器的值,一个是时间计数器的值,然后再通过计算得出信号的频率。5.2 Nios II 软核现今,可将SOPC视为是基于FPGA解决方案的SOC,与ASIC的SOC解决方案相比,SOPC系统及其开发技术具有更多特色,也有多种途径可构成SOPC方案。NIOS 系列软核是目前最有代表性的处理器,用户可随意配置和构建32位嵌入式处理器,采用Avalon总线结构通信接口,包含有JTAG 调试内核,还可以通过SOPC builder 对Nios

45、 ii及其外围进行构建,是该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。NIOS II核在同一个FPGA中植入的数量没有限制,只要FPGA 资源足够即可。NIOS II系列32位RISC嵌入式处理器具有超过200DMIP的性能,在低成本FPGA中实现成本只有35美分。由于处理器是软核形式,所以具有很大的灵活性,可以在多种系统配置中选择满足成本和功能的要求。NIOS II 包括三种内核:快速的(nios ii/f、经济的(nios ii/e、标准的(nios ii/s内核。每种软核可以根据需要由quartus 软件SOPC Builder创建,任意添加自己需要的外设

46、IP核,使用非常方便。5.3.NIOS外部接口与内部介绍5.3.1 nios软核原理框图如图5-2所示clkreset_nin_port_to_the_fin31.0 in_port_to_the_tin31.0out_port_from_the_enout_port_from_the_lcd_date7.0out_port_from_the_led_date7.0out_port_from_the_rsout_port_from_the_rwzs_addr_from_the_sdram11.0zs_ba_from_the_sdram1.0zs_cas_n_from_the_sdramzs_c

47、ke_from_the_sdramzs_cs_n_from_the_sdramzs_dqm_from_the_sdram1.0zs_ras_n_from_the_sdramzs_w e_n_from_the_sdram zs_dq_to_and_from_the_sdram15.0f_cpuinst图5-2 CPU软核5.3.2 nios软核外部接口In_port_to_the_fin31.0:频率计数器值输入端口。In_port_to_the_tin31.0:时间计数器值输入端口。Out_put_from_the_en:12864 en端口输出。Out_put_from_the_lcd_da

48、te7.0:12864数据端口输出。Out_put_from_the_rs:液晶12864 RS输出端口。Out_put_from_the_rw:液晶12864 RW输出端口。Zs开头的端口为SDRAM端口,NIOS ii 已经把SDRAM控制设置为自动控制,所以只需要在端口连接好即可6 遇到问题,分析问题,解决问题6.1 输入阻抗问题遇到问题:当不同幅值不同频率的信号通过两级9018晶体管共射放大电路时,信号幅值严重衰减。分析问题:这情况经实验发现主要是信源一般带载能力不强,如此一来必然出现信号的衰减。解决问题:在输入头上采用结型场效应管作为输入阻抗变换,提高系统的输入阻抗,以降低其对信号源

49、内阻的要求,其输入阻抗为1M。6.2 放大器选择问题遇到问题:依照芯片datesheet说明选择放大器,参数都满足要求,但是出来的效果就很差。分析问题:此问题经不断研究发现是由于我们的实验条件跟厂商的实验条件差太多,实验的仪器跟硬件电路的工艺也相差很大,用万用板做的硬件电路会引进较多的误差。解决问题:选择放大器芯片时要适当的留有余量,万用板应尽量少用,有条件可以开PCB或用覆铜板来减少干扰的引入。7 电路抗干扰措施电路在设计之初,便考虑到抗干扰措施,从元器件布局到安装,均遵循电磁兼容理论,并结合学习和实验中积累的经验,设置了以下几项抗干扰措施:1.数字地和模拟地严格划分,并于电源模块滤波前一点

50、落地。2.各单元供电在线路板上多处加装去耦滤波电容以旁路电网干扰,对高低频干扰信号具有很强的抑制能力。3.选用器件全部为CMOS集成电路,噪声容限大,抗干扰能力强。4.由于输入信号的变化可能很大,在大信号时能满足要求,而在小信号时则很容易受到干扰。所以电路设计时采用大面积接地,输入引线采用高频监控电缆,以消除外界的电磁场干扰。5.在电路中采用施密特触发器,提高门限,以消除大部分杂波,保证了信号的纯真度。6.采用32位浮点运算确保测试数据在处理时不严重失真。8 系统指标测试测试条件:室温,实验室环境,被测系统预热5分钟。设计与测试使用的仪器: UT-2000型数字储存示波器J2462-1型低频函

51、数信号发生器8202A型功率函数发生器SG-5110型高频正弦信号发生器HC-F1300型高精度频率计PC机,586,dx80,512ddr400内存操作系统:Windows Xp Sp2DT9203型数字万用表指标测试频率测试用函数发生器产生1Hz到10MHz的信号,用标准频率计测得标准频率;再用设计的频率计测出频率,求出误差。表9-1标准输入频率 / Hz 本仪器测量值 / Hz 本仪器测量误差1 1 0.00%5 5 0.00%10 10 0.00%50 50 0.00%100 100 0.00%500 500 0.00%1,000 1000 0.00%5,000 5001 0.00%1

52、0,000 10002 0.00%50,000 50,100 0.001%100,000 99,999 0.0001%600,000 600,000 0.00%1,000,000 1,000,000 0.00%6,000,000 5,999,872 0.002%10,000,000 9,999,744 0.0002%9 结束语通过这次毕业设计学习到很多东西,更加巩固了所学的一些知识,对FPGA的一些知识有了更加一步的认识,对电路抗干扰有了进一步的了解,对电路的设计有了些许的经验。由于所掌握的专业技术知识有限,课题设计及样机制作仅限于基本阶段,离专业计量工程仪器还有不少距离。例如系统的电路原理设计,样机工艺设计及制作,控制程序设计,信号处理,测量精度等方面都存在这样或那样的问题,使得性能样机未能做到尽善尽美。这一切都将有待在今后的学习研究中进一步努力。参考文献1 夏宇闻,2008,Verilog数字系统设计教程M,北京航空航天大学出版社。2 蔡伟纲,2007,Nios II软件架构解析M,西安电子科技大学出版社。3 周立功,2006,SOPC嵌入式系统基础教程M,北京航空航天大学出版社。4 ALTERA公司,Cyclone-EP2C