基于NiosII的多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器節(jié)點設(shè)計
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摘要：針對于列車控制系統(tǒng)半實物仿真平臺測速測距模塊的多通道PWM信號測量/產(chǎn)生的要求，提出了一種利用NiosII軟核處理器替代通訊用MCU的智能多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器的設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞：NiosII；PWM；FPGA；SOPC
2008年4月28日收到本文。
引言
列車控制系統(tǒng)半實物仿真平臺是基于HLA規(guī)范，將各種鐵路通信信號系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備通過建模或?qū)嵨镞B接到一起，構(gòu)建成的一個完整的列車運行控制仿真平臺，用以進(jìn)行系統(tǒng)研究、系統(tǒng)仿真及新系統(tǒng)的開發(fā)。
實物測控接口平臺是列車控制系統(tǒng)半實物仿真平臺的重要組成部分，是實物設(shè)備和HLA仿真環(huán)境的接口，實現(xiàn)實物系統(tǒng)和仿真環(huán)境之間的信息交互，保證其協(xié)同并行工作。接口平臺使用了嵌入式Linux的架構(gòu)以提供HLA界面，同時提供和實物設(shè)備對應(yīng)的物理信號接口，其中包括車載實物系統(tǒng)中的測速測距模塊需要的多路PWM信號測量/產(chǎn)生器節(jié)點。
常用的MCU或者PWM芯片最多能提供16路PWM信號輸出通道，如果用MCU來實現(xiàn)PWM信號周期和占空比的測量,需要占用大量的硬件資源并且效率不高，因此使用MCU實現(xiàn)較多通道的PWM信號測量/產(chǎn)生器對MCU的處理能力要求較高，成本較高。若采用MCU/DSP作為外界通訊接口，使用FPGA實現(xiàn)多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器，可以完成設(shè)計目標(biāo)，但是系統(tǒng)復(fù)雜度較高。本文提出了一種利用NiosII軟核處理器替代通訊用MCU的智能多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器的設(shè)計方案。該設(shè)計僅使用單片FPGA構(gòu)建SOPC，系統(tǒng)復(fù)雜度低，可靠度高。
節(jié)點硬件設(shè)計
Nios II是一款基于哈佛結(jié)構(gòu)的32位RISC 處理器，包括3 種內(nèi)核。
智能PWM節(jié)點設(shè)計的核心在于NiosII軟核處理器的配置和利用FPGA實現(xiàn)多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器。
節(jié)點硬件方框圖如圖1所示，F(xiàn)PGA選擇了Altera公司低成本FPGA Cyclone EP1C6Q240C8，電源模塊選擇了Murata公司的可提供3路1.0~3.6V可調(diào)輸出的MPD5S025S，直接提供FPGA需要的3.3V，2.5V和1.5V電源；NiosII的程序代碼保存在FPGA的配置芯片中，配置芯片選擇了16Mbit串行EPCS16，足夠保存NiosII應(yīng)用程序；外擴(kuò)2MByte SDRAM芯片AS4LC1M16S1；通訊接口為RS-485，采用磁隔離的方式，使用的隔離器件是ADuM3301磁隔離芯片，由一個5V/5V的DC/DC電源隔離器件B0505D提供隔離端的電源。FPGA輸入/輸出的多通道PWM信號通過接插件連出。整個節(jié)點設(shè)計非常簡潔，可以做到很小的體積。
圖1 智能PWM節(jié)點硬件方框圖
Nios II軟核處理器配置
NiosII軟核處理器使用Quartus II集成的SOPC Builder進(jìn)行配置，配置圖如圖2。根據(jù)節(jié)點設(shè)計的需要，使用Nios II/s為處理器核心，UART為通訊接口，添加SDRAM控制器和EPCS控制器。使用32bit+12bit PIO作為PWM控制器，這個控制器是基于總線方式的控制器與FPGA內(nèi)的PWM信號測量/產(chǎn)生器相連讀取/寫入周期和占空比信息，具體定義為：32bit數(shù)據(jù)，8bit通道地址，1bit讀/寫，1bit配置允許和1bit配置測量/產(chǎn)生，這2bit可以配置對應(yīng)地址PWM通道為測量或產(chǎn)生，1bit預(yù)留。使用這種總線方式控制器配置PWM通道信息的速度快并且易于編程。
圖2 智能PWM節(jié)點NiosII處理器配置圖
FPGA內(nèi)多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器模塊
多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器模塊FPGA功能框圖如圖3所示。用FPGA實現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生和測量的核心就是計數(shù)器的使用，每個通道的PWM需要8個計數(shù)器，其中4個是PWM信號產(chǎn)生用的預(yù)置高電平計數(shù)器，預(yù)置低電平計數(shù)器，高電平計數(shù)器和低電平計數(shù)器；其余4個是PWM信號測量用的高電平計數(shù)器和低電平計數(shù)器以及對應(yīng)的最大值寄存器，由于資源的限制，這些計數(shù)器必須用RAM實現(xiàn)。
圖3 多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器模塊FPGA功能框圖
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