NiosⅡ系統(tǒng)Avalon總線PWM設(shè)計

在NiosⅡ系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，SoPC Builder開發(fā)環(huán)境集成了許多常用類型的設(shè)備模型，供開發(fā)者調(diào)用。在日新月異的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中開發(fā)環(huán)境所集成的接口設(shè)備是非常有限的，有時無法滿足開發(fā)者的需要，SoPC Builder開發(fā)工具允許用戶依據(jù)規(guī)則擴展自己的所需設(shè)備，完成系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，開發(fā)者按照Avalon總線規(guī)范將設(shè)備驅(qū)動程序集成到SoPC Builder的硬件抽象層(HAL)中，在SoPC Builder環(huán)境下加載使用，方便了用戶開發(fā)一個自定制的片上系統(tǒng)。本文通過在NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部集成了基于Avalon總線的脈沖寬度調(diào)制(PWM)從外設(shè)，介紹了自定制Avalon設(shè)備的過程。將其應用在嵌入式智能小車監(jiān)控系統(tǒng)，為采用Nios II處理器的開發(fā)者提供了一些方法和建議。

1定制基于Avalon總線的用戶外設(shè)介紹

NiosⅡ的Avalon總線不同于其他微處理器的固定外設(shè)，Nios Ⅱ的外設(shè)是可以任意定制的，這使得用戶可以根據(jù)具體的應用需求而定制。所有的Nios Ⅱ系統(tǒng)外設(shè)都是通過Avalon總線與NiosⅡ軟核相連，從而進行數(shù)據(jù)交換。因此對于用戶定義的外設(shè)必須遵從該總線協(xié)議才可與Nios Ⅱ之間建立聯(lián)系。

Avalon信號接口定義了一組信號類型片選、讀使能、寫使能、地址、數(shù)據(jù)等，用于描述主從外設(shè)上基于地址的讀寫接口。外設(shè)使用準確的信號與其內(nèi)核邏輯進行接口，并刪除會增加不必要開銷的信號。

在Nios Ⅱ系統(tǒng)中一個自定義設(shè)備由如下幾部分組成：
　　(1)硬件文件：用HDL語言編寫的描述自定義設(shè)備元件邏輯的硬件描述文件。
　　(2)軟件文件：用C語言編寫的設(shè)備寄存器文件以及設(shè)備的驅(qū)動程序文件。
　　(3)設(shè)備描述文件(Ptf)：本文件描述了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，包含SoPC Builder配置以及將其集成到系統(tǒng)中時所需要的信息。本文件由SoPC Builder根據(jù)硬件文件以及軟件文件自動生成。

2基于NiosⅡ系統(tǒng)的PWM設(shè)計

PWM是利用數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用于從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。實際上PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電或者完全有，或者完全無。電壓或電流源是以一種通或斷的重復脈沖序列被加到模擬負載上。通即是直流供電被加到負載上，斷即是供電被斷開。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

2.1硬件設(shè)計

硬件文件指的是HDL文件，由以下幾個模塊組成：
　　邏輯模塊：描述設(shè)備的邏輯功能；
　　寄存器映射模塊：為內(nèi)部邏輯模塊和Avalon總線提供了通信接口；
　　Avalon總線接口模塊：使Avalon總線訪問寄存器從而完成相應的邏輯功能。

2.1.1  邏輯結(jié)構(gòu)

對于自定義的PWM也是由以上幾部分模塊組成。PWM按照以下要求設(shè)計：
(1)任務邏輯按一個簡單時鐘進行同步操作。
(2)任務邏輯使用32位計數(shù)器為PWM提供一個一定范圍的周期和占空比，最大周期可設(shè)為232個clk。
(3)可以使用微控制器來設(shè)置PWM的周期和占空比的值，因此要提供一個可對寄存器進行讀寫的接口和控制邏輯。
(4)定義寄存器來存儲PWM周期和占空比的值。
(5)微控制器可以通過控制寄存器的禁止位關(guān)閉PWM輸出。

PWM任務邏輯的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

PWM任務邏輯由輸入時鐘(clock)、輸出信號端口(pwm_out)、使能位、32位計數(shù)器以及一個32位比較電路組成。clk作為32位計數(shù)器的時鐘信號，32路比較電路比較32位計數(shù)器的當前值與占空比設(shè)定寄存器(Duty Cycle Value Register)中的值來決定pwm_out的輸出為高或低。當當前計數(shù)器中的值小于或等于占空比寄存器中的值時，pwm_out輸出低電平，否則輸出高電平。PWM周期設(shè)定寄存器(Modulo_n ValueRegister)用來設(shè)置pwm_out的信號周期，當當前計數(shù)器的值等于周期設(shè)定寄存器中的設(shè)定時，產(chǎn)生一個復位信號來清除計數(shù)器中的值。使能控制寄存器(EnableControl Register)能使時鐘信號有效或無效，即控制計數(shù)器是否計數(shù)，從而保持pwm_out輸出保持當前不變。

PWM內(nèi)部包括使能控制寄存器(Enable ControlRegister)、周期設(shè)定寄存器(Modulo_n Value Register)以及占空比設(shè)定寄存器(Duty Cycle Value Register)，如圖1所示。設(shè)計中將各寄存器映射成Avalon從端口地址空間內(nèi)一個單獨的偏移地址。每個寄存器都能進行讀／寫訪問，軟件可以讀回寄存器中的當前值。表1是PWM寄存器以及偏移地址列表。

PWM的Avalon接口需要一個簡單的從端口，該端口使用Avalon總線信號完成寄存器的讀／寫傳輸。PWM與Avalon總線接口所需的信號如表2所示。

2.1.2  硬件設(shè)計文件與仿真

PWM硬件設(shè)計文件包含表3所示的三個Verilog編寫的HDL文件。

pwm_tasK_logic．v完成PWM的邏輯功能，圖2是此文件在QuartusⅡ環(huán)境下的仿真波形。

圖2中：clock_divide信號設(shè)定PWM輸出周期的時鐘數(shù)，dutv_cycle信號設(shè)定一個周期內(nèi)PWM輸出低電平的時鐘個數(shù)，兩個信號設(shè)定值決定PWM信號的占空比和周期。

2.2軟件設(shè)計

如果要使Nios軟核能夠訪問自定義的設(shè)備，就必須根據(jù)先前的硬件設(shè)計按照硬件提取層的文件結(jié)構(gòu)編寫設(shè)備驅(qū)動程序。以PWM為例說明HAL的文件結(jié)構(gòu)，如表4所示。

2.3  將PWM設(shè)計封裝為SoPC Builder元件

當硬件文件和軟件文件都已建立好后，便可以通過SoPC Builder中帶有的設(shè)備編輯器將自定義設(shè)備封裝到開發(fā)環(huán)境內(nèi)部，在構(gòu)建NiosⅡ系統(tǒng)時可以對其直接調(diào)用。在SoPC Builder中單擊Creat New Component，創(chuàng)建新元件向?qū)砑親DL文件、設(shè)置信號和接口添加軟件，最終生成包含描述文件、用戶存放硬件描述文件的文件夾以及用來包含HAL軟件文件的HAL文件夾。

2.4  構(gòu)建Nios系統(tǒng)

構(gòu)建好的內(nèi)核文件在QuartusⅡ中編譯，生成pof配置文件下載到E2PROM芯片中，接下來就可以使用Nios IDE開發(fā)環(huán)境編輯用戶程序，以及通過JTAGBlaster或者USB Blaster在目標板上對應用程序進行調(diào)試。

3  自定制外設(shè)PWM在嵌入式智能小車監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

智能小車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應用周立功公司SmartSoPC核心板，F(xiàn)PGA為Altera公司的EPlC12，NiosⅡ處理器作為嵌入式CPU，機器人車電機共有兩個，左輪電機和右輪電機。該部分包括電機驅(qū)動電路和電機控制電路，即左電機的驅(qū)動與控制以及右電機的驅(qū)動與控制。驅(qū)動電路采用CTMicroelectronics公司的大功率直流電機驅(qū)動芯片L289，調(diào)速控制采用PWM來控制汽車的前進速度，由FPGA寫入控制字，可得到不同占空比的PWM驅(qū)動信號，此PWM信號送人電機驅(qū)動芯片的控制端來調(diào)節(jié)速度。調(diào)用電機驅(qū)動程序，改變PWM占空比，輸出PWM波，實現(xiàn)電機的速度控制。用PWM信號控制直流電動機速度，頻率較低時，電動機不會穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，頻率較高時，PWM信號的驅(qū)動效率降低。經(jīng)過多次實際電路的測試，調(diào)試結(jié)果顯示當頻率在500～1 000 Hz時，效果較好。部分C語言控制代碼如下：

4結(jié)  語

NiosⅡ嵌入式處理器是用戶可配制的通用RISC嵌入式處理器，是一個非常靈活和強大的處理器?；诖朔N技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計可以方便地將一般設(shè)備和自定義設(shè)備模塊集成到系統(tǒng)中，豐富了接口資源，從而能使用戶快速地開發(fā)一個自定制片上系統(tǒng)，提高了效率，縮短了開發(fā)周期。本文通過自定制PWM外圍設(shè)備的方法，并通過硬件測試證明了方案的可行性和正確性，希望能夠為采用Nios Ⅱ處理器的開發(fā)人員提供一些方法和建議。