基于Nios II的過(guò)程控制實(shí)驗裝置研究

利用SOPC強大的IP核和容易配置的優(yōu)勢簡(jiǎn)化設計流程。充分發(fā)揮NiosⅡ強大的并行處理能力。該系統主要涉及多個(gè)下位機與FPGA的通信問(wèn)題。

　　1. 功能描述

　　1.1 整體設計思路

　　利用SOPC強大的IP核和容易配置的優(yōu)勢簡(jiǎn)化設計流程。充分發(fā)揮NiosⅡ強大的并行處理能力。該系統主要涉及多個(gè)下位機與FPGA的通信問(wèn)題。通過(guò)SOPC設計技術(shù)可以很容易的構造多個(gè)UART接口，降低系統的設計成本。在Quartus中可以用VHDL/Verilog語(yǔ)言寫(xiě)入總線(xiàn)復用模塊，解決SRAM、SDRAM、FLASH之間存在的總線(xiàn)沖突問(wèn)題。

　　顯示和操作部分的硬件主要在A(yíng)ltera的CycloneⅡEPSC35板上由SOPC Builder配置實(shí)現。傳感檢測和信號處理部分則通過(guò)系統擴展來(lái)實(shí)現。特別是放大和A/D轉換部分，必須由專(zhuān)門(mén)的模塊來(lái)處理。

　　1.2 系統的主要功能

　　旋風(fēng)預熱器仿真主要實(shí)現對水泥回轉窯模型在模擬工作狀態(tài)下的參數檢測和控制。由傳感器采集的數據經(jīng)過(guò)放大和修正送入A/D轉換芯片，轉換后的數據送入作為下位機的AT89S52系列單片機中，通過(guò)串口通信的方式將數據流送入作為上位機的DE2開(kāi)發(fā)板中，利用NiosⅡ軟核的VGA視頻顯示功能將采集的數據顯示為狀態(tài)曲線(xiàn)。

　　同時(shí)，利用FPGA快速反應的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現對下位機部分的控制，從而對模型的模擬工作狀態(tài)進(jìn)行調整和監控。整個(gè)旋風(fēng)筒模型由透明的有機玻璃構成，具有很強的觀(guān)賞性。LED燈的提示和LCD的數字顯示更加提高了整體的實(shí)用性。由于系統的各個(gè)單元之間存在獨立性，因此，本系統可以做為教學(xué)上的演示模型。傳感器的用法，A/D的用法，放大的原理以及通信和FPGA的使用都可以獨立的用來(lái)作為教學(xué)模型。在旋風(fēng)筒模型上預留了各成120度的三維測量孔，裝入傳感器后可以同時(shí)在X、Y、Z三維場(chǎng)中檢測，實(shí)現同一參數的三維測量。因此，該系統在科研方面也具有很大的實(shí)用性。

　　2. 系統模塊概述

　　本系統主要由檢測單元、信號放大修正單元、串口通信單元、顯示單元組成。各個(gè)部分通過(guò)單片機和FPGA之間的通信聯(lián)系在一起。構成一個(gè)完整的集檢測、通信、顯示、控制為一體的系統。本系統只測量模擬工作下一維場(chǎng)中的狀態(tài)參數。風(fēng)機的控制使用專(zhuān)用的晶閘管智能控制模塊，直接由0～5V電壓控制輸出0～220V的風(fēng)機電源電壓。

　　方案的硬件設計框圖如圖1所示。

　　3. 模塊功能描述

　　3.1 顯示單元

　　整個(gè)處理過(guò)程就是對四路傳感器所采集的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行分時(shí)顯示。通過(guò)按鍵操作VGA，讓四路參數狀態(tài)的曲線(xiàn)可以分屏顯示。顯示屏采用普通的PC機顯示器，顯示像素為480640。當第一路數據流通過(guò)串口通信送入上位機后，軟核處理器將該組數據流迅速進(jìn)行暫存，按鍵操作VGA顯示函數選擇屏數并調用這部分數據在顯示屏上依次點(diǎn)亮對應的像素點(diǎn)，從而可以將整個(gè)數據流所對應的狀態(tài)曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)的顯示在屏幕上，達到可視化的監控效果。

　　在第一屏進(jìn)行畫(huà)線(xiàn)顯示的同時(shí)，處理器將繼續對各路參數的數據流進(jìn)行接收和緩存。按鍵操作進(jìn)入第二屏后，開(kāi)始對第二個(gè)參數狀態(tài)進(jìn)行畫(huà)線(xiàn)和實(shí)時(shí)數值描述，四路狀態(tài)曲線(xiàn)全部畫(huà)完結束返回。 在這個(gè)過(guò)程中，處理器同時(shí)調用字符液晶顯示和數碼管的顯示函數，對當前數據的平均值和瞬時(shí)值進(jìn)行準確的數值描述。LED用于提示當前分屏顯示的屏數，即提示目前采集的參數類(lèi)型。按鍵用于控制風(fēng)機轉速。顯示單元的系統軟件設計框圖如圖2

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