基于NiosII的多通道PWM信號(hào)測量/產(chǎn)生器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　具體實(shí)現(xiàn)的流程如下：

　　·根據(jù)具體需要依次配置每個(gè)通道為PWM測量或者產(chǎn)生通道，由PWM配置控制器實(shí)現(xiàn)，該控制器與NiosII處理器的PWM控制器相連。

　　·使用一個(gè)基準(zhǔn)地址計(jì)數(shù)器給出的循環(huán)地址信號(hào)對(duì)所有的RAM讀寫進(jìn)行同步，該基準(zhǔn)地址計(jì)數(shù)器給出不同延遲周期的地址計(jì)數(shù)，以修正RAM讀取產(chǎn)生的延時(shí)。

　　·PWM產(chǎn)生：將高/低電平周期數(shù)寫入預(yù)置高/低電平計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器自加器按基準(zhǔn)地址計(jì)數(shù)器給出的修正延遲的地址讀出計(jì)數(shù)并+1后重新寫入計(jì)數(shù)器RAM；比較器按基準(zhǔn)地址計(jì)數(shù)器給出的修正延遲地址計(jì)數(shù)讀出預(yù)置高/低電平周期數(shù)進(jìn)行比較決定輸出的是高/低電平。

　　這種方法得到頻率為：

　　其中為該模塊的時(shí)鐘頻率，為預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器，采用循環(huán)方式時(shí)一個(gè)周期的時(shí)間為通道數(shù)與預(yù)置數(shù)和之積；本節(jié)點(diǎn)中，因此，滿足測速測距模塊0~10KHz的設(shè)計(jì)需要；若需要更高頻率，可以提高fCLK或者進(jìn)行通道分組，以降低每組的Nch，占空比的精度與頻率有關(guān)，頻率越低，可調(diào)精度越高。

　　·PWM測量：是PWM產(chǎn)生的逆過程，測量的精度與產(chǎn)生的PWM信號(hào)的精度相同。每隔一個(gè)脈沖更新一次測得的周期和占空比值，因此可用于周期快速變化PWM信號(hào)的測量。

　　·死區(qū)控制器：僅僅對(duì)應(yīng)于PWM產(chǎn)生部分，該模塊輸出的PWM信號(hào)初始間隔為1個(gè)TCLK，根據(jù)具體的需要配置相應(yīng)的延時(shí)即可。

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)通過RS-485發(fā)送命令包來控制智能節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作，該命令包順序由8bit標(biāo)識(shí)碼，8bit包長度，16bit目標(biāo)節(jié)點(diǎn)號(hào)，16bit包編號(hào)，命令區(qū)和16bit CRC16校驗(yàn)碼組成，NiosII處理器負(fù)責(zé)解包，校驗(yàn)CRC碼是否正確，并且根據(jù)命令動(dòng)作PWM控制器。當(dāng)需要讀取PWM周期和占空比測量值時(shí)，NiosII處理器還需要把從高/低電平計(jì)數(shù)保存器RAM讀出的值組包發(fā)送給上位機(jī)。

　　NiosII處理器采用中斷方式接受通過RS-485總線發(fā)來的命令包，中斷處理通過狀態(tài)機(jī)的方式處理每一個(gè)接收到的字節(jié)，具體功能描述如下：

　　·檢查標(biāo)識(shí)碼，檢查是否為智能PWM節(jié)點(diǎn)類型的命令包，啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，并打開定時(shí)器，防止當(dāng)命令包不完整時(shí)接受狀態(tài)機(jī)無法回到初始狀態(tài)；

　　·讀取包長度信息，檢查是否目標(biāo)為本節(jié)點(diǎn)，是則記錄包編號(hào)；

　　·如果標(biāo)識(shí)碼不是智能PWM節(jié)點(diǎn)類型的命令包則不對(duì)命令進(jìn)行處理，是則將命令放入緩沖中待處理；

　　·檢查CRC校驗(yàn)碼是否正確，如正確，則將緩沖中的命令寫入命令隊(duì)列；如果不正確，則將錯(cuò)誤信息寫入待發(fā)送信息隊(duì)列。

　　命令包括配置某位為PWM測量/產(chǎn)生，配置某位的預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器，讀取某位的計(jì)數(shù)保存器三類。

　　主循環(huán)中完成的工作是：

　　·檢查命令隊(duì)列中是否有未處理的命令并處理；

　　·檢查待發(fā)送信息隊(duì)列長度是否達(dá)到預(yù)定值，是則啟動(dòng)一次發(fā)送，將待發(fā)送信息打包發(fā)送給上位機(jī)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　使用ModelSim進(jìn)行仿真，配置使用了10通道作為PWM信號(hào)輸出，隨機(jī)賦值了給每個(gè)通道不同的周期和占空比，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 智能PWM信號(hào)產(chǎn)生器仿真結(jié)果圖

　　將這10個(gè)通道與另外配置為PWM信號(hào)測量的10個(gè)通道相連接，進(jìn)行周期和占空比測量，得到的高低電平周期測量結(jié)果與實(shí)際值誤差限為，由此導(dǎo)致的頻率誤差為：

當(dāng)取f=10KHz時(shí)，Δf≈200Hz；取f=1KHz時(shí)，Δf≈2Hz，頻率越低，測量精度越高。

結(jié)語

　　針對(duì)于列車控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)測速測距模塊的多通道PWM信號(hào)測量/產(chǎn)生的要求，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(hào)測量/產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)方案，給出了利用FPGA實(shí)現(xiàn)多通道PWM信號(hào)測量/產(chǎn)生器模塊的方法，并且編寫了NiosII處理器的通訊控制軟件。

　　本設(shè)計(jì)將應(yīng)用在北京全路通通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院列控實(shí)驗(yàn)室的實(shí)物測控接口平臺(tái)中，連接測速測距模塊，將仿真端與實(shí)物端相連。除此之外，本設(shè)計(jì)還可應(yīng)用在多電機(jī)控制等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

1.  徐光輝、程?hào)|旭、黃如等，基于FPGA的嵌入式開發(fā)與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社, 2006.
2.  李旭、謝運(yùn)祥，PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述，電源技術(shù)應(yīng)用，2005，02:40～43