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2 系统总体结构设计
图1为利用SoPC Builder工具开发的基于Nios II的数控电源硬件系统框图，该系统实际是一个内嵌于FPGA器件中的基于NiosⅡ软核的嵌人式最小应用系统。其硬件系统主要由Avalon数据总线、 EPCS控制器、键盘接口、Nios II软核CPU、SDRAM控制器、LCD控制器、I／O输出模块和相应的外围器件组成。Nios II软核CPU是32位嵌入式处理器，承担运算、控制和信息处理等多项任务；EPCS控制器及其外围的存储器，构成串行电可擦除Flash存储系统。主要用于存储FP-GA配制文件及Nios II软核CPU执行程序代码；SDRAM控制器用来控制SDRAM，保证Nios II处理器能顺利地对SDRAM进行读写操作；SDRAM用于存储用户程序代码和Nios II软核CPU运行时的重要数据；键盘和键盘接口构成本系统的输入设备，输入的信息通过Avalon数据总线被送至Nios II软核CPU；LCD控制器是用户自定组件，它与外围240x128液晶显示屏构成字符显示设备，用于显示人机界面和输出电压值。 3 关键器件选型 这里所用到的关键器件主要有可编程逻辑器件FPGA、串行电可擦除Flash存储器、SDRAM存储器、D／A转换器和240x128液晶显示器等。 考虑设计成本等因素，可编程逻辑器件FPGA采用EP1C6Q240C8低功耗器件。该器件采用逻辑阵列模块(LAB)和查找表(LUT)结构，内核采用 1．5 V电压供电，其内部资源丰富，内嵌5 980个逻辑单元(LE)、20个4 K字节双口存储单元(M4K RAM block)和92 160 bit的高速RAM等。串行电可擦除Flash存储器采用Altera公司的EPCS16ST16N集成电路；SDRAM存储器采用三星公司的 K4S641632H；D／A转换器采用National Semiconductor公司的DAC0832；为增加显示信息，采用240x128型液晶显示器显示字符。 |
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4 系统硬件设计
4．1 基于Nios II最小系统的SoPC 打开QuartuslI中的SoPC Builder开发工具，在Altera公司的可编程逻辑器件FPGA中，把相应的IP核添加到系统中，构建一个基于Nios II的嵌入式可编程片上硬件系统。SoPC Builder是一个功能强大的SoPC开发工具，它使开发者在可编程逻辑器件能够定义并生成一个完全意义的Nios II系统，而所用的时间比采用传统手工设计方法少得多。而且，SoPC Builder提供有很多免费的IP核，设计者可根据实际需求任意添加与裁减。设计者还能根据实现情况。选择SoPC Builder中3种不同的NiosII处理核(经济型Nios II、标准型NiosⅡ和快速型Nios II)以满足用户要求。图2为利用SoPC Builder开发工具定制的SoPC系统。Nios_cpu选择标准型(Nios II/S)，具有4 Kbit的InstructionCashe，其性能指数超过22 DMI／s；lcd_controller是自定义用户逻辑组件，控制240x128液晶显示屏；ikeyboat为键盘输入接口；PIO_DATA为输出数据通道，电压控制数据可通过此通道送至D／A转换器。 4．2 电源电路 图3为系统电源电路图，主要由变压器、桥式整流电路、电容滤波电路和各种类型三端稳压器件组成，能输出±15 V、+5 V和+10 V 4组稳压直流电源。±15 V作为主输出电源，除为各级运放电路提供电源外，还为功率放大电路提供电源；+5 V为FPGA器件的工作电压；+10 V为D／A转换器的参考电压，保证输出电压能在0~10 V内连续变化。为使电路具有较大的输出功率，在每片3端稳压管中安装有较大的散热片。 4．3 D／A转换电路 为实现电压值的D／A模转换，在电路中还要专门设计D／A转换电路，如图4所示。为降低设计成本，采用8位DAC0832转换器。DAC0832属于倒T 型电阻网络型D／A转换器，内部无运算放大器，输出为电流形式，因此，使用时，需外接一个运算放大器。DAC0832可根据实际情况接成双缓冲、单缓冲和直缓冲3种形式，此D／A转换器接成第3种形式使用，即引脚1、2、17、18接低电平，19引脚接+5 V。引脚8为参考电压输入端口，接+10 V电源，当数字输入端全为高电平时，模拟输出端为-10 V。 4．4 功率放大电路 虽然D／A转换电路输出电压幅值大小满足任意可设要求，但其输出电流过小，不能驱动负载。为增大输出电流，增强带负载能力，还需设计一个电压增益为1的功率放大电路，其电路如图5所示。图5中，R1、R2和LM324构成一个电压增益为1的反相比例放大电路；VQ1为大功率三极管，在加散热片的条件下，最大输出电流可达到3 A；C1、L1和C2构成π型LC滤波器，可进一步滤除电源的波纹，提高电源的输出性能。 开机进入界面初始化程序，用户可根据界面的提示进行操作，然后读键盘值并判别此值是否有效，如无效，则返回，如值有效，则根据此值执行相应的模块操作，最后刷新显示屏并返回。 |
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6 测试结果
把已编译过的程序下载到硬件平台中运行，并测试系统。在程序运行过程中，用UT51数字万用表的20 V档测量系统的输出电压值，表1为该系统在运行电压设值程序时所测得结果；表2为该系统在执行电压步进程序时所测得结果，其进步值为0．01 V。测试结果表明，该系统输出电压误差小，系统精度较高。 7 注意事项 在工程实践中，可根据工程具体要求改进本系统有关参数。例如，为了提高输出电源的控制精度，在选择D／A转换器时，采用10位或者更多位D／A转换器，从而提高系统输出电压的分辨率。另一方面，若设备运行环境恶劣，则需提高系统的抗干扰能力。因此，在制作系统PCB板时，应考虑如下因素：(1)注意电源线与地线的布线实践表明，由于电源线与地线布线不合理，常会产生噪音干扰，影响系统的稳定性。抑制此噪音的方法是，在电源线与地线之间增加去耦电容并增加走线宽度。 (2)要处理好数字地与模拟地问题在数字电路和模拟电路混合布线时，数字电路地与模拟电路地是分开的，最终采用一点相连。(3)采用“隔离”技术为了进一步提高系统的抗干扰能力，有时考虑采用“隔离”技术，有效地把系统“隔离”起来。 8 结论 设计一个基于NiosⅡ的高精度数控直流稳压电源系统，首先给出系统的硬件设计框图，然后分别介绍系统的软硬件设计方法，并给出该系统的测试结果。测试结果表明，该系统控制精度高，抗干扰能力强，已成功应用于某个电子设备中，具有较好的实用价值。 |
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基于采用FPGA控制MV-D1024E系列相机的图像采集系统设计
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