基于NiosII的多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器節點(diǎn)設計
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摘要：針對于列車(chē)控制系統半實(shí)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(chē)控制系統半實(shí)物仿真平臺是基于HLA規范，將各種鐵路通信信號系統內的設備通過(guò)建?；驅?shí)物連接到一起，構建成的一個(gè)完整的列車(chē)運行控制仿真平臺，用以進(jìn)行系統研究、系統仿真及新系統的開(kāi)發(fā)。
實(shí)物測控接口平臺是列車(chē)控制系統半實(shí)物仿真平臺的重要組成部分，是實(shí)物設備和HLA仿真環(huán)境的接口，實(shí)現實(shí)物系統和仿真環(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的架構以提供HLA界面，同時(shí)提供和實(shí)物設備對應的物理信號接口，其中包括車(chē)載實(shí)物系統中的測速測距模塊需要的多路PWM信號測量/產(chǎn)生器節點(diǎn)。
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(lái)實(shí)現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(shí)現較多通道的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(shí)現多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器，可以完成設計目標，但是系統復雜度較高。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)生器的設計方案。該設計僅使用單片FPGA構建SOPC，系統復雜度低，可靠度高。
節點(diǎn)硬件設計
Nios II是一款基于哈佛結構的32位RISC 處理器，包括3 種內核。
智能PWM節點(diǎn)設計的核心在于NiosII軟核處理器的配置和利用FPGA實(shí)現多通道PWM信號測量/產(chǎn)生器。
節點(diǎn)硬件方框圖如圖1所示，FPGA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應用程序；外擴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(gè)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(guò)接插件連出。整個(gè)節點(diǎn)設計非常簡(jiǎn)潔，可以做到很小的體積。
圖1 智能PWM節點(diǎn)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。根據節點(diǎn)設計的需要，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(gè)控制器是基于總線(xiàn)方式的控制器與FPGA內的PWM信號測量/產(chǎn)生器相連讀取/寫(xiě)入周期和占空比信息，具體定義為：32bit數據，8bit通道地址，1bit讀/寫(xiě)，1bit配置允許和1bit配置測量/產(chǎn)生，這2bit可以配置對應地址PWM通道為測量或產(chǎn)生，1bit預留。使用這種總線(xiàn)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節點(diǎn)NiosII處理器配置圖
FPGA內多通道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(shí)現PWM信號的產(chǎn)生和測量的核心就是計數器的使用，每個(gè)通道的PWM需要8個(gè)計數器，其中4個(gè)是PWM信號產(chǎn)生用的預置高電平計數器，預置低電平計數器，高電平計數器和低電平計數器；其余4個(gè)是PWM信號測量用的高電平計數器和低電平計數器以及對應的最大值寄存器，由于資源的限制，這些計數器必須用RAM實(shí)現。
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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