基于NiosII的片上可编程系统_SOPC_实现的直流电机的PWM调速系统

1、基于Nios II的片上可编程系统(SOPC实现的直流电机的PWM调速系统朱科星,郁建平(东南大学机械工程学院,江苏南京211189摘要:介绍了一种基于Nios II软核处理器的直流电机PWM调速系统,并以此说明了SOPC思想及其实现途径。该系统以一片PF G A为核心,结构紧凑,体现了SOPC系统集成度高、灵活性强、扩展性好的特点。并且能大大缩短产品的开发周期。关键词:现场可编程逻辑门阵列(FPG A;片上可编程系统(SOPC;Nios II;脉宽调制(PWM;直流电机中图分类号:TM33;TP273+5文献标识码:B文章编号: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是电子设计自动化EDA(electronics design au2tomation技术和大规模集成电

4、路技术高度发展的产物。SOPC技术的目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块FPG A中实现,使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。SOPC的设计是以IP为基础,以硬件描述语言为主要设计手段,借助计算机为平台的EDA工具,自动化、智能化地自顶向下进行的过程。FPG A在逻辑实现上具有无与伦比的优势,但在运算方面却比不上DSP,而软核处理器的出现充分利用高性能FPG A实现所需要的控制逻辑,通过软核处理器完成软件控制算法,设计出结构简单灵活、性能高的控制系统。Al2 tera公司的Nios II处理器使用32位的指令结构(

5、ISA,能在高性能的Stratix或低成本的Cyclone芯片上实现,具有非常多的可配置的寄存器,极大的可扩展性以及功能。Altera公司提供的与之配套的支持C、C+语言的强大的开发工具SOPC Builder。直流电机是最常见和成本最低的小型电机,并得到广泛应用。本文用Nios II实现对小型直流电机的PWM调速控制 ,同时也介绍了SOPC解决实际问题的方法。1工作原理及系统硬件构成改变直流电机转速的方法为励磁控制法(控制磁通与电枢电压控制法(改变电枢端电压。在众多的电枢电压控制方法中,脉宽调制(pulse width modulation技术因为需用的大功率可控器件少、线路简单、调速范围宽

6、、电流波形系数好、附加损耗小和功率因数高,从而得到广泛应用。本系统用SOPC实现直流电机的PWM调速,系统集成度高,电路简单,并且升级拓展空间很大。实现几路PWM,也可以通过添加客户定制逻辑随意实现。控制系统结构框图如图1所示:图1控制系统结构框图本系统中使用一片Cyclone FPG A芯片中定制的Nios II处理器作为中央处理器。FPG A中还包括锁相环、CPU同外部设备的接口,EPCS4用来上电时对FPG A进行配置。在电机控制中,为了提高系统的抗干扰性,在FPG A电路和电机驱动放大电路之间加了光电耦合器(TL P521以实现电气隔离。专用集成电路L298内部集成了两个H桥以及桥臂上

7、开关管的推动电路、防止桥臂M achi ne B uil di ng&A utomation,Feb2007,36(1:113115113直通的控制逻辑电路。其片内有两个相同的模块,可以控制两个直流电机,Nios II 提供的两路PWM信号提供调速控制。每个模块有3个控制输入端:一个使能端和两个方向控制端。如图所示Nios II 产生的PWM 信号经过光电耦合器连接到L298芯片的使能端。由于光电耦合器具有反相器作用,PWM 信号中的高电平持续时间部分对应直流电机的断电时间。从Nios II 的PIO 输出的信号送入L298的方向控制端。这样,就实现了直流电机的转向和制动状态控制。L2

8、98的驱动电路如图2所示: 图2L298驱动电路其电机控制方向引脚如表1所示;表1L298控制信号与直流电机转向关系表ENA (B IN1(IN3IN2(IN4电机运行情况H L L 正转H LH反转H 同IN2(IN4同IN1(IN3快速停止LXX停止L298芯片驱动负载的电源电压最大为46V ,单桥的驱动电源接近2A ,最大开关频率不小于40kHz 。与分立元件构成的桥式驱动电路相比,电路结构简化,性能更加可靠。本系统还使用了光电编码器对电机进行速度检测反馈给Nios II ,从而实现了完整的闭环控制系统。2Nios II 处理器的定制Nios II 嵌入式处理器特征如表2所示。2.1本系

9、统Nios II 处理器结构在本系统中,Nios II 处理器作为实现控制的中央处理器,Nios 处理器的特点之一就是Avalon 总线,它是连接片上处理器和其他IP 模块的一种简单的总线协议,规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序。Avalon 总线是一种相对简单的总线结构,主要用于连接片内处理器与外设,以构成片上可编程系统(SOPC 。定制中本系统中还加入了以下模块:并行输入/输出口(PIO 、异步收发器(UART 、定时器(Timer 、片上表2Nios II 嵌如式处理器特征表种类特性CPU 结构32位指令集32位数据线宽度32个通用寄存器32个外部中断源2G Byte 寻

10、址空间片内测试基于边界扫描测试(J TA G 的调试逻辑、支持硬件断点、数据触发以及片外和片内的测试跟踪定制指令最多达256个用户定义的CPU 指令软件开发工具Nios II 的集成开发环境(IDE 基于GNU 的编译器硬件辅助的调试模块RAM 和ROM 、提供PWM 信号的客户定制逻辑,即自定制Avalon 从外设。2.2自定制Avalon 从外设由于Nios II 是一个位于FPG A 中的处理器软核,定制其外设就显得比较容易,其中的Nios 处理器与用户可定制逻辑结构。对于自定制的Avalon 外设按照对Avalon 总线操作的不同可以分为两类:Avalon Slave 外设和Avalo

11、n Streaming Slave 外设,对于Avalon Slave 外设只是作为Avalon 总线的一个Slave 元件来处理,而Streaming Slave (流模式外设则需要使用Avalon 总线的传输模式,外设的设计也要复杂许多。本设计中的PWM 客户可定制逻辑是基于Avalon Slave 的设计。具体设计要求:1信号的周期可调;2脉冲的宽度可调;3可以控制PWM 的输出使能。涉及的Avalon 信号如表3:表3涉及的Avalon 信号CL K 时钟reset 复位chipselect 片选address地址write 写信号read 读信号writedata 写数据(32位re

12、addata 读数据(32位byteenable字节使能(4位SOPC Builder 中的硬件配置如图3所示。SOPC Builder 将定制的处理器转化为Verilog HDL 等具体的设计文件,还根据定制的结果,自动生成针对特定硬件环境的C 语言和汇编语言的头文件以及函数库。Quartus II 中的Nios II 系统模块原理图如图4所示:114http :/ZZHD E 2mail :ZZHD 机械制造与自动化 图3SOPC Builder中的硬件配置 图4Nios II 系统模块原理图3软件系统设计 Nios II 处理器的软件设计方法是在软核内存放一段自己编写的监控程序,控制其运

13、行,它可以读写芯片的存储单元,与外围的设备进行通讯。在本系统中,Nios II 程序的任务是:在规定的控制周期内,通过UART 模块得到上位机发出的控制任务及控制参数,接受与直流电机同轴的光电编码器的反馈信号,经CPU 计算和处理后得到纠正后的PWM 控制参数并传达给客户定制的PWM 模块,由PWM 模块输出相应的PWM 信号实现直流电机的闭环PWM 调速控制。Nios II 集成开发环境(IDE 是Nios II 系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以在Nios II IDE 下完成,包括编辑、编译、调试程序和下载。程序用C 语言编写,主程序流程图如图5所示。4结束语本设

14、计是基于N IOS II 的SOPC 的直流电机的PWM 调速系统,由于SOPC 技术在先天上有着巨大的灵活性,所以构建了这样的系统,在系统的可扩展性、可维护性、可移植性等方面,都有着无可比拟的优势。不仅如此,基于Nios II 进行嵌入式系统设计还能大大缩短硬件开发周期,提高设计的可靠性。SOPC Builder 提供了丰富的IP 模块,使得软核可定制的功能非常强大。在此系统的基础上,还可以很方便地利用SOPC 的灵活性和可扩展性,配合Nios II 软核的强大功能加以扩展和升级,移植到更多的实际应用中去。参考文献:1EDA 先锋工作室1Altera FPG A/CPLD 设计M .北京:人民邮电出版社,200512王建校,危建国1SOPC 设计基础与实践M .西安: