江晓潼基于fpga的pwn模块硬件设计.docx

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江晓潼基于fpga的pwn模块硬件设计

摘要

PWM（脉冲宽度调制）是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术，广泛应用于电源、电机、伺服系统、通信系统等电力电子设备。

PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，也是变频技术的核心，同时在机床，液压位置控制系统等机械装置中也发挥着重要的作用。

PWM技术已经成为控制领域的一个热点，因此研究PWM发生器有十分重要的意义。

论文研究的主要内容是用任意波形作为调制信号通过特定的方法来产生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是两个主要任务。

波形合成采用直接数字频率合成（DDS）技术来实现。

DDS技术以相位为地址，通过查找离散幅度数据进行波形合成，具有输出波形相位变化连续、分辨率高、频率转换速率快的优点，而且通过设置控制字可灵活方便地改变输出频率，是目前波形合成的主流方法。

实现PWM发生器的设计方法有多种，本文采用现场可编程门阵列（FPGA）来实现PWM波的产生。

FPGA的设计是以Altera公司的QuartusII软件为开发平台，采用VHDL语言为来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作，目标载体选用Altera公司的CycloneIII系列器件。

关键词：

脉冲宽度调制；直接数字频率合成；现场可编程门阵列

ABSTRACT

PWM（PulseWidthModulation）isakindofcontroltechnologycontrollingAnalogcircuitwithdigitalsignal．ItiswidelyappliedinelectricPowerandelectronicdevices，suchpower,electricmotor,servosystem，communicationsystem，electroniccontroller,powercontr01．PWMtechnologyisthemostwidelyappliedinInvertercircuitandisalsothecoreoffrequencyconversiontechnology．Meanwhileitalsoplaysanimportantroleinmachinetool，hydraulicpressurelocationcontrolsystemandothermechanisms．PWMtechnologyhasalreadybecomeabrightspotoncontrolfields，SOthestudyofPWMgeneratorhasaveryimportantmeaningtothedevelopmentofbasictheoryandtheimprovementoftechnology．

ThemaincontentthatthepaperstudiesistoproducetheneededPWMwaveformbythespeciallyappointedmethodusingarbitrarywaveformasmodulationsignal，thesynthesisofarbitrarywaveformandthegeneration

ofPWMwaveformaretwomaintasks．Thesynthesisofarbitrarywaveformisoneofdifficultyinthedesignprojectthatisoneoffactorsinfluenceonsystemperformance．Thewayofwaveformsynthesisusesdirectdigitalfrequencysynthesistechnologytocomplete．DDStechnologyusesphase

asaddressandsynthesizeswaveformthroughlookingupdiscretedataof

amplitude,andithastheadvantageofcontinuousvariationphase，

highdegreeresolution,fastfrequencyconversionspeed，andconvenientlychangingoutputfrequencybysettingcontrolwords．Atpresentitisamainstreamwayinwaveformsynthesis．

TherearemanywaystodesignPWMgenerator.Inthispaper,usingfieldprogrammablegatearray（FPGA）torealizethegenerationofPWMwave.

TheDesignofFPGAusesQuartusIIsoftwaredevelopedbycorporation

AlteraasdevelopmentplatformandadoptsVHDLlanguageasmaininputway

Tocompletethedesignentry,compiling，simulatingandotherdebugging

work．TheobjectcarrierisCycloneIIIseriescomponentsproducedbycorporationAltera.

Keywords：

pulsewidthmodulation；directdigitalfrequencysynthesis；programmablelogicdevice

引言

毕业设计是我们毕业前的一次大规模系统设计，它在我们的大学生活中占有极其重要的作用，是学生在校期间最后一个重要的综合性实践教学环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识和基本技能，对实际问题进行设计（或研究）的综合性训练。

通过毕业设计，可以培养学生运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神，增强工程观念，以便更好地适应工作的需要。

PWM技术自出现以来，在近几十年间其基础理论得到了不断的发展，而在电力电子行业的应用更是达到了空前的程度。

应用程度的加深和其产品性能的提高对PWM信号的质量提出了更高的要求，而信号质量的提高取决于产生信号的器件或电路，因此研究PWM信号产生电路的设计方法不仅是必须的，而且非常重要的。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于如今国家提出的节能减排具有积极意义。

第一章绪论

1.1PWM的背景与项目意义

PWM即脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。

9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。

与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。

模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。

在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。

拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。

其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。

能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。

模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。

模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于如今国家提出的节能减排具有积极意义

1.2PWM的前景

PWM技术自出现以来，在近几十年间其基础理论得到了不断的发展，而在电力电子行业的应用更是达到了空前的程度。

应用程度的加深和其产品性能的提高对PWM信号的质量提出了更高的要求，而信号质量的提高取决于产生信号的器件或电路，因此研究PWM信号产生电路的设计方法不仅是必须的，而且非常重要的。

PWM信号发生电路以及其它电路的设计越来越多地采用基于大规模可编程逻辑器件的设计方法，其中基于现场可编程门阵列（Field－ProgrammableGateArray）复杂的可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device,简称CPLD）这两大类器件的设计成为主流。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。

这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

1.2.1FPGA

FPGA是当今应用最广泛的可编程专用集成电路，本次论文的目的就是通过学习FPGA现代数字系统设计基本概念和理论，综合运用所学知识，理论联系实际，在FPGA中能较好的实现PWM。

FPGA有着很多CPLD所没有的特点，适用于本论文的设计。

而PWM（脉冲宽度调制）是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术，广泛应用于电源、电机、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备。

PWM技术己经成为控制领域的一个热点，因此研究PWM发生器对于基础理论的发展和技术的改进都有十分重要的意义。

FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD件等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。

这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。

在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。

一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成电路）的速度要慢，无法完成复杂的设计，但是功耗较低。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件）。

FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。

而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显：

一方面，FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用IP（知识产权）或客户定制IP被引入FPGA中，以满足客户产品快速上市的要求。

此外，FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。

1.3PWM的当前情况

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法.

等脉宽PWM法

随机PWM

SPWM法

梯形波与三角波比较法

线电压控制PWM

直接转矩控制PWM

线性控制PWM

谐振软开关PWM

脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。

这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。

脉冲宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

1.3.1PWM软件法控制充电电流

提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。

该方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。

在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。

1.3.2PWM在推力调制中的应用

1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案，同时能使时间或能量达到最优控制。

脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内，通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总的推力效果，对于质量流率不变的系统，可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。

脉宽调制通常有两种方法：

第一种为整体脉宽调制，对控制对象进行控制器设计，并根据控制要求的作用力大小，对整个系统模型进行动态的数学解算变换，得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间；第二种为脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是根据输入进行“动态衰减”性的累加，然后经过某种算法变换后，决定输出所持续的时间。

这种方式非常简单，也能达到输出作用近似相同。

脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。

但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。

而且系统响应有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率，否则不但起不到调制效果，甚至会发生灾难性后果。

第二章系统原理

2.1VERILOGHDL

VerilogHDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。

被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间。

数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。

VerilogHDL语言具有下述描述能力：

设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。

所有这些都使用同一种建模语言。

此外，VerilogHDL语言提供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。

VerilogHDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。

因此，用这种语言编写的模型能够使用Verilog仿真器进行验证。

语言从C编程语言中继承了多种操作符和结构。

VerilogHDL提供了扩展的建模能力，其中许多扩展最初很难理解。

但是，VerilogHDL语言的核心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。

当然，完整的硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。

描述复杂的硬件电路，设计人员总是将复杂的功能划分为简单的功能，模块是提供每个简单功能的基本结构。

设计人员可以采取“自顶向下”的思路，将复杂的功能模块划分为低层次的模块。

这一步通常是由系统级的总设计师完成，而低层次的模块则由下一级的设计人员完成。

自顶向下的设计方式有利于系统级别层次划分和管理，并提高了效率、降低了成本。

“自底向上”方式是“自顶向下”方式的逆过程。

使用Verilog描述硬件的基本设计单元是模块（module）。

构建复杂的电子电路，主要是通过模块的相互连接调用来实现的。

模块被包含在关键字module、endmodule之内。

实际的电路元件。

Verilog中的模块类似C语言中的函数，它能够提供输入、输出端口，可以实例调用其他模块，也可以被其他模块实例调用。

模块中可以包括组合逻辑部分、过程时序部分

2.2FPGA的优势

在最高层面上，FPGA是可重新编程的硅芯片。

使用预建的逻辑块和重新编程布线资源，用户无需再使用电路试验板或烙铁,就能配置这些芯片来实现自定义硬件功能。

用户在软件中开发数字计算任务，并将它们编译成配置文件或比特流，其中包含元器件相互连接的信息。

此外，FPGA可完全可重配置，当用户在重新编译不同的电路配置时，能够当即呈现全新的特性。

过去，只有熟知数字硬件设计的工程师懂得使用FPGA技术。

然而，高层次设计工具的兴起正在改变FPGA编程的方式，其中的新兴技术能够将图形化程序框图、甚至是C代码转换成数字硬件电路。

各行各业纷纷采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于处理器的系统的最大优势。

FPGA能够提供硬件定时的速度和稳定性,且无需类似自定制ASIC设计的巨额前期费用的大规模投入。

可重新编程的硅芯片的灵活性与在基于处理器的系统上运行的软件相当，但它并不受可用处理器内核数量的限制。

与处理器不同的是，FPGA属于真正的并行实行，因此不同的处理操作无需竞争相同的资源。

每个独立的处理任务都配有专用的芯片部分，能在不受其它逻辑块的影响下自主运作。

因此，添加更多处理任务时，其它应用性能也不会受到影响。

总的来说FPGA有五大优势。

2.2.1性能

利用硬件并行的优势，FPGA打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了数字信号处理器（DSP）的运算能力。

著名的分析与基准测试公司BDTI，发布基准表明在某些应用方面，FPGA每美元的处理能力是DSP解决方案的多倍。

在硬件层面控制输入和输出（I/O）为满足应用需求提供了更快速的响应时间和专业化的功能。

2.2.2上市时间

尽管上市的限制条件越来越多，FPGA技术仍提供了灵活性和快速原型的能力。

用户可以测试一个想法或概念，并在硬件中完成验证，而无需经过自定制ASIC设计漫长的制造过程。

3由此用户就可在数小时内完成逐步的修改并进行FPGA设计迭代，省去了几周的时间。

商用现成（COTS）硬件可提供连接至用户可编程FPGA芯片的不同类型的I/O。

高层次的软件工具的日益普及降低了学习曲线与抽象层，并经常提供有用的IP核（预置功能）来实现高级控制与信号处理。

2.2.3成本

自定制ASIC设计的非经常性工程（NRE）费用远远超过基于FPGA的硬件解决方案所产生的费用。

ASIC设计初期的巨大投资表明了原始设备制造商每年需要运输数千种芯片，但更多的最终用户需要的是自定义硬件功能，从而实现数十至数百种系统的开发。

可编程芯片的特性意味着用户可以节省制造成本以及漫长的交货组装时间。

系统的需求时时都会发生改变，但改变FPGA设计所产生的成本相对ASCI的巨额费用来说是微不足道的。

2.2.4稳定性

软件工具提供了编程环境，FPGA电路是真正的编程“硬”执行过程。

基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源。

驱动层控制着硬件资源，而操作系统管理内存和处理器的带宽。

对于任何给定的处理器内核，一次只能执行一个指令，且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占的风险。

而FPGA不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。

2.2.5长期维护

正如上文所提到的，FPGA芯片是现场可升级的，无需重新设计ASIC所涉及的时间与费用投入。

举例来说，数字通信协议包含了可随时间改变的规范，而基于ASIC的接口可能会造成维护和向前兼容方面的困难。

可重新配置的FPGA芯片能够适应未来需要做出的修改。

随着产品或系统成熟起来，用户无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局就能增强功能。

2.3系统框架

图1.1OR1200体系结构框图

OR1200有两个主机WishboneRevB标准接口，该接口被用来连接ORl200核心到内存子系统，用来支取指令或指令高速缓存行。

ORl200有两个与WishboneRevB标准相适应的主接口。

数据接口用来连接ORl200核心到外部周边和内存子系统,用来读写数据或数据高速缓存行。

系统接口连接复位、时钟和其他系统信号到ORl200核心。

2.4思路

（1）理论学习，联系和比较地学习，比较全面阅读相关文献和书籍

（2）掌握FPGA的基本知识及应用，熟悉PWM脉冲电路。

（3）FPGA的设计以Altera公司的Quartus软件为开发平台，采用VerilogHDL语言为主要输入手段来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作，阐述PWM波形的产生以及信号的输出等。

第三章系统设计

图3.1SOC系统的构架

如图3.1在该架构中，ORl2