基于單片機和FPGA的四通道PWM信號發(fā)生器接口設(shè)計

1、題 目：基于單片機和FPGA的四通道 PWM信號發(fā)生器接口設(shè)計1 引言單片機是將中央處理器、存儲器、定時器、中斷系統(tǒng)、輸入/輸出接口等工作部件集成在一塊電路芯片上的微型計算機。它具有體積小，功能強，可靠性高、價格便宜等優(yōu)點，因此單片機被廣泛應(yīng)用于我們的生活、工作、科研等各個領(lǐng)域。單片機應(yīng)用于工業(yè)控制等方面時經(jīng)常要對電流，電壓，溫度，位移，轉(zhuǎn)速等模擬量進行調(diào)整控制如恒流，恒壓，恒溫，恒速等單片機一般將采集的模擬量數(shù)據(jù)進行運算和處理根據(jù)設(shè)計要求對輸出控制進行脈寬調(diào)制達到恒流，恒壓，恒溫，恒速的目的。隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展很多單片機都有內(nèi)置PWM模塊，因此單片機的PWM控制技術(shù)可以用內(nèi)置PWM

2、模塊實現(xiàn)，也可以用單片機的其它資源由軟件模擬來實現(xiàn)，還可以通過控制外置硬件電路來實現(xiàn)?？删幊踢壿嬈骷?PLD)及EDA技術(shù)的應(yīng)用成為電子系統(tǒng)設(shè)計的潮流。FPGA是一種新興的可編程邏輯器件(PLD)，與其它PLD相比，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的編程靈活性。單片機以其體積小、功能齊全、價格低廉、可靠性高等方面所具有的獨特優(yōu)點，長期以來被廣泛的應(yīng)用在各領(lǐng)域?；贔PGA的高密度、高速度、現(xiàn)場可編程的能力和單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能，制作了波形發(fā)生系統(tǒng)，用于產(chǎn)生頻率為10Hz20kHz的四路分別占空比0100%可調(diào)的PWM波?，F(xiàn)著重介紹用基于可編程的FPGA和單片機實現(xiàn)四通道PWM信號發(fā)生器

3、及其接口的設(shè)計?？删幊踢壿嬈骷?PLD)及EDA技術(shù)的應(yīng)用成為電子系統(tǒng)設(shè)計的潮流。FPGA是一種新興的可編程邏輯器件(PLD)，與其它PLD相比，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的編程靈活性。單片機以其體積小、功能齊全、價格低廉、可靠性高等方面所具有的獨特優(yōu)點，長期以來被廣泛的應(yīng)用在各領(lǐng)域。基于FPGA的高密度、高速度、現(xiàn)場可編程的能力和單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能，制作了波形發(fā)生系統(tǒng)，用于產(chǎn)生頻率為10Hz20kHz的正弦波，鋸齒波，三角波和四路分別占空比0100%可調(diào)的PWM波。2 FPGA 的特點及應(yīng)用FPGA (Field Programmable Gate Array, 用戶現(xiàn)場可編

4、程門陣列)是起源于 80 年代中期, 由美國硅谷Xilinx 公司首創(chuàng)的全新概念。FPGA 能進行現(xiàn)場設(shè)計、現(xiàn)場編程、現(xiàn)場驗證、現(xiàn)場修改與分析, 從而現(xiàn)場實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的單片設(shè)計和應(yīng)用, 在大專院校、科研所、航空航天、數(shù)字通信、計算機應(yīng)用領(lǐng)域展示出了廣泛的應(yīng)用前景。2.1 XC 系列FPGA 器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點Xilinx FPGA 的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 Xilinx FPGA 的結(jié)構(gòu)框圖圖 2 給出了XC3000 系列FPGA 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它主要由以下幾個部分組成: (1)可編程邏輯塊CLB; (2)可編程輸入ö 輸出模塊LOB; (3)可編程內(nèi)部連線P I ; (4)矩陣開

5、關(guān); (5)三態(tài)緩沖; (6)上拉電阻和長線等。 I/ O 模塊分布在芯片四周, 它是內(nèi)部邏輯和芯片封裝腳之間的接口。邏輯單元通過程序定義內(nèi)部聯(lián)接關(guān)系, 完成用戶所需的邏輯功能。邏輯單元與邏輯單元、邏輯單元與外界的連接關(guān)系以及矩陣開關(guān)的狀態(tài)都通過程序定義。 圖2 XC3000 系列FPGA 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2.2 可編程邏輯單元CLBCLB 是 FPGA 的核心。圖 3 為XC3000 系列的CLB 結(jié)構(gòu)從圖中可看出, 它主要由D 觸發(fā)器、組合邏輯功能模塊及多個多路數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。CLB 內(nèi)部的兩個D 觸發(fā)器由CL K 端的外部時鐘驅(qū)動, 時鐘可由用戶編程有效極性(上升沿、下降沿) ;組合功能模

6、塊具有五個邏輯輸入變量, 并生成一個具有布爾功能的輸出。從圖中還可以看出: 組合邏輯功能模塊的延遲相對固定, 與所要產(chǎn)生的邏輯功能無關(guān), 它只由器件的速度等級而定。通過單個CLB 的信號延遲時間一般不超過 4。5n s 至 7n s, 而用中小規(guī)模器件來完成一個CLB 所包含的同樣的邏輯功能, 其信號延遲時間則需要30n s。因此, CLB 的延遲時間要小得多, 從而大大提高了所設(shè)計產(chǎn)品的性能。D 寄存器鎖存后到達輸出緩沖器的輸入端。當(dāng)選為雙向時, 可以由邏輯控制三態(tài)緩沖器來定義其輸入或者為輸出, 使用非常方便。圖3 XC3000 系列的CLB 結(jié)構(gòu)3 PWM控制的特點與方法PWM控制的基本原

7、理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn).直到進入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。采樣控制理論中有一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正

8、弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點,到目前為止主要有以下8類方法。1. 等脈寬PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的,是PWM法中最為簡單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可

9、以調(diào)壓,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對于PAM法,該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量。2 隨機PWM 在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初,由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注.為求得改善,隨機PWM方法應(yīng)運而生.其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中,各頻率能量分布是均勻的),盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此,即使在IGBT已被廣泛應(yīng)

10、用的今天,對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合,隨機PWM仍然有其特殊的價值;另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機PWM技術(shù)正是提供了一個分析,解決這種問題的全新思路。3SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積

11、相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。4等面積法 方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷,以達到預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點,可以準(zhǔn)確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實時控制的缺點。5硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信

12、號作為載波,通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時,所得到的就是SPWM波形.其實現(xiàn)方法簡單,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實現(xiàn)精確的控制。6 軟件生成法 由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應(yīng)運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法。7 自然采樣法 以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時

13、刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制。 8 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷,從而實現(xiàn)SPWM法.當(dāng)三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣.當(dāng)三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時,由

14、階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣. 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小。4 總體設(shè)計方案由于FPGA 是一個高度集成化且易于實現(xiàn)模塊化的器件，故本課題采用模塊化的設(shè)計方法，參照單片機對FPGA功能擴展的思路，將總體設(shè)計分成七個模塊，其中四個模塊是相同的，各模塊能實現(xiàn)特定的功能?？傮w的設(shè)計如圖4所示。圖4 總體設(shè)計圖現(xiàn)分別介紹說明各個模塊的功能與作用。4.1 SQU模塊模塊SQU是P

15、WM信號發(fā)生模塊。SQU的ADR口輸入一個由八位計數(shù)器CNT8B輸出的數(shù)字鋸齒波信號；CIN口輸入一個八位二進制數(shù)，這兩個信號通過一個數(shù)字比較器進行比較，然后輸出一個與CIN寬度相同占空比的的方波信號。所以CIN是SQU輸出方波信號占空比的控制字，而進入ADR 的鋸齒波信號的頻率等于方波頻率。用Verilog語言進行編程設(shè)計的SQU模塊的源程序如下：然后將其打包成SQU模塊如下：4.2 PWM4模塊PWM4的功能是通過單片機像四個SQU模塊分別輸入PWM4信號的脈寬控制數(shù)據(jù)。本模塊采用輸入原理圖的方法進行設(shè)計。其原理圖如圖5所示。圖5 PWM4模塊原理圖然后將其打包成PWM4模塊如下：4.3

16、PLL20模塊鎖相環(huán)模塊PLL20輸出的c1信號有CLKOUT輸出（12MHz）,為單片機提供工作時針；c0信號時80kHz，是計數(shù)器CNT8B的時鐘信號，決定PWM信號的頻率。由于Quartus 自身有鎖相環(huán)模塊只需設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)直接調(diào)用系統(tǒng)的即可。設(shè)置好的PLL20模塊如下所示：4.4 CNT8B模塊 CNT8B模塊是一個8位計數(shù)器，也可直接在系統(tǒng)里直接調(diào)用即可。 設(shè)置好參數(shù)的CNT8B模塊如下所示：4.5 完全系統(tǒng)模塊現(xiàn)各個模塊都已經(jīng)做好，我們把各個模塊的相應(yīng)文件比如.v或block文件都放在一個工程文件夾里，目的是進行總體布局設(shè)計時可以對之前設(shè)計好的各個模塊可以直接進行調(diào)用，否則在編譯

17、時會出現(xiàn)所調(diào)用的模塊未被定義的錯誤。用Quartus 繪制出系統(tǒng)的總體設(shè)計架構(gòu)如圖6。圖6系統(tǒng)的總體設(shè)計架構(gòu)圖5 時序仿真在編譯未出現(xiàn)錯誤后對系統(tǒng)進行時序仿真。單片機通過PWM4模塊根據(jù)不同地址，分別寫入四個控制字23H，7AH,A5H和B8H。仿真前波形如圖7。圖7仿真前波形圖仿真后得到的波形如圖8所示。圖8 仿真后波形圖 由圖可見四個輸出信號波形顯示，隨著四個波形控制值的增大，輸出波形的脈寬逐步變小從而實現(xiàn)模塊調(diào)制的目的。另外從圖中還可以看出輸出波形有一些毛刺信號，其實這些毛刺信號對外部設(shè)備的控制不會產(chǎn)生任何影響，這是因為其脈寬非常小，在通過進入外圍設(shè)備的通道過程中會被導(dǎo)線及電路板中的分布電容