摘  要： 給出了一種研究自由落體運(yùn)動(dòng)的新方法，提出了一種以Altera NiosII的SoPC為核心處理單元的自由落體分析儀的設(shè)計(jì)方案，并介紹了分析儀的軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。該自由落體分析儀可提高測(cè)量精度，使復(fù)雜的系統(tǒng)在單片FPGA上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： NiosII；SoPC；自由落體分析儀；FPGA

　與通用MCU相比，F(xiàn)PGA采用軟件來(lái)設(shè)計(jì)硬件，所有的實(shí)現(xiàn)最終都將轉(zhuǎn)化為其內(nèi)部的硬件邏輯，而且FPGA可以產(chǎn)生精準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。然而，如果對(duì)FPGA內(nèi)部所有硬件邏輯都通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，則由于FPGA本身的特點(diǎn)難免使系統(tǒng)中存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以保證。而且編程任務(wù)量大，難以實(shí)現(xiàn)。軟核處理器技術(shù)是一種全新的設(shè)計(jì)理念，它將FPGA設(shè)計(jì)劃分為硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件可以利用芯片設(shè)計(jì)商所提供的各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需接口及控制邏輯，軟件可以專(zhuān)注于各種控制算法的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一些通用MCU無(wú)法滿足的應(yīng)用（如高精度實(shí)時(shí)測(cè)量、豐富的片內(nèi)外設(shè)、硬件可定制可擴(kuò)展的系統(tǒng)）來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA能夠滿足實(shí)時(shí)、高精度和硬件可定制等多方面的要求。NiosII是Altera[1]的第二代FPGA嵌入式軟核處理器，其指令執(zhí)行速率可達(dá)200 DMIPS。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的自由落體分析儀，NiosII能夠滿足系統(tǒng)各方面的需求。
　自由落體分析儀在測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可以用來(lái)研究落體運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確測(cè)量地球各點(diǎn)的絕對(duì)重力加速度值，對(duì)國(guó)防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究有著十分重要的意義。
　本文設(shè)計(jì)了一種基于Altera NiosII軟核處理器為核心單元的自由落體分析儀。該系統(tǒng)在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)用戶自定制的處理器，其硬件結(jié)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)控制單元、光電編碼器信號(hào)采集單元、存儲(chǔ)器模塊、電源模塊、UART接口、PC顯示終端及SoPC模塊Altera CycloneII EP2C8。


 

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　硬件部分的設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分。第一部分是硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包含了主芯片EP2C8、外設(shè)芯片（SDRAM、配置芯片和Flash）以及它們之間的互聯(lián)；第二部分是定制系統(tǒng)需要的硬件系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)處理器　軟核和相關(guān)外設(shè)的控制邏輯。這部分的工作是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心是基于Cyclone II系列FPGA（EP2C8Q208C8）的SoPC模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。Nios II軟核處理器定義主從設(shè)備之間的接口與通信時(shí)序，通過(guò)Avalon交換式總線連接各個(gè)控制模塊和多個(gè)IP核，包括SoPC Builder工具自定義生成的IP核模塊。SoPC Builder中包含3種可選的軟核處理器，分別是：Nios II/f（快速）——消耗FPGA資源最多，系統(tǒng)性能最高；Nios II/s（標(biāo)準(zhǔn)）——性能和FPGA使用量都是中等的；Nios II/e（經(jīng)濟(jì)）——所占FPGA資源最少，性能最低[2-3]。根據(jù)系統(tǒng)的需求，Nios II/f（快速）型軟核處理器完全能滿足本設(shè)計(jì)的需求。FPGA中還包括鎖相環(huán)、CPU與外部設(shè)備的接口，PWM輸出模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，數(shù)據(jù)采集模塊處理光電編碼器的測(cè)量數(shù)據(jù)，EPCS4用來(lái)上電時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行配置，調(diào)試程序的JTAG_UART通信模塊，此外，電源管理模塊為電機(jī)、光電編碼器和FPGA提供工作所需電源電壓。

　在NiosII處理器電機(jī)控制端口，當(dāng)out_port_ from_the_motor=00時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小球下降；當(dāng)out_port_ from_the_motor=01時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，小球上升。在FPGA電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大電路之間加光電耦合器（TLP521）以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性。L298片內(nèi)有兩個(gè)相同的模塊，每個(gè)模塊有3個(gè)控制輸入端：一個(gè)使能端和兩個(gè)方向控制端。如圖2所示，NiosII產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器連接到L298芯片的使能端，NiosII提供的兩路PWM信號(hào)提供步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制，從而小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量位移。通過(guò)將NiosII的并行輸入輸出模塊（PIO）輸出的信號(hào)送入L298的方向控制端，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)狀態(tài)。本系統(tǒng)還使用了光電編碼器對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度檢測(cè)并反饋給NiosII，實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
光電編碼器三相信號(hào)（A、B、Z）經(jīng)整形電路后的脈沖信號(hào)送入FPGA的數(shù)據(jù)采集模塊[4]，數(shù)據(jù)采集模塊主要是為時(shí)間和位移做準(zhǔn)備，這里主要是測(cè)量相鄰的時(shí)間脈沖和位移脈沖上升沿之間的個(gè)數(shù)，方便NiosII處理器計(jì)算時(shí)間和位移以及進(jìn)行時(shí)間和位移數(shù)值轉(zhuǎn)換。
　片上存儲(chǔ)器采用EP2C8 FPGA提供165 888 bit的RAM內(nèi)存，共計(jì)36個(gè)M4K RAM blocks，8 256個(gè)LEs。
定時(shí)器Timer用來(lái)提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘節(jié)拍。
　PIO通過(guò)2 bit的二進(jìn)制信號(hào)來(lái)檢測(cè)操作面板的按鍵觸發(fā)信號(hào)、判斷電機(jī)控制器的參數(shù)并進(jìn)行小球位置檢測(cè)。
　通用異步收發(fā)器（UART）提供了人機(jī)交互接口，與上位進(jìn)行通信以及程序調(diào)試。這里，USB接口可視作一個(gè)虛擬的通用異步收發(fā)器來(lái)訪問(wèn)。系統(tǒng)運(yùn)行中，閃存存儲(chǔ)配置文件，而SDRAM存儲(chǔ)各類(lèi)數(shù)據(jù)。
設(shè)計(jì)軟硬件接口的任務(wù)是完成驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)工作，驅(qū)動(dòng)程序是連接硬件與軟件的橋梁。此外，軟硬件接口的另一個(gè)重要工作是進(jìn)行硬件初始化，處理器從復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入操作系統(tǒng)能夠運(yùn)行的狀態(tài)，也就是把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序之前，硬件和驅(qū)動(dòng)必須做的一些工作。利用Altium Designer工具完成電路板的PCB版圖設(shè)計(jì)。
3 處理器的定制與系統(tǒng)的工作原理
　NiosII處理器采用32 bit指令﹑32 bit數(shù)據(jù)和地址﹑32 bit通用寄存器和32個(gè)外部中斷源[5]，能在高性能的Stratix或低成本的Cyclone芯片上實(shí)現(xiàn)，配置最合適的處理器、選擇合適的外設(shè)和接口組合。
本系統(tǒng)是以NiosII處理器作為實(shí)現(xiàn)控制的中央處理器，實(shí)驗(yàn)證明，NiosII軟核處理器主頻可以平穩(wěn)運(yùn)行在120 MHz，速度相當(dāng)快。設(shè)置總線時(shí)鐘頻率為50 MHz。
　利用SoPC Builder開(kāi)發(fā)工具創(chuàng)建用戶定制的NiosII處理器，其地址映射和中斷優(yōu)先級(jí)分配如圖3所示。圖4所示的本系統(tǒng)定制的NiosII處理器還加入了CPU核、EPCS、SDRAM、TIMER、PIO、數(shù)碼管和UART等外圍接口電路，以實(shí)現(xiàn)NiosII與外設(shè)的通信。

　SoPC Builder將定制的處理器轉(zhuǎn)化為Verilog HDL等具體的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)生成針對(duì)硬件環(huán)境的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的頭文件以及函數(shù)庫(kù)。
　在Quartus II中實(shí)現(xiàn)重力加速度測(cè)量系統(tǒng)用戶定制的NiosII處理器模塊如圖4所示。主要端口包括時(shí)鐘信號(hào)clk、復(fù)位信號(hào)reset_n、中斷信號(hào)int_port_to_the_INT、光電編碼器采集數(shù)據(jù)in_port_to_the_data_out[31..0]、電機(jī)控制信out_port_from_the_motor[1..0]、LCD顯示coe_seg_ from_the_seg、UART發(fā)送和接收端口。由于NiosII是在FPGA片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，因此它既可以通過(guò)引腳連到外部與其他設(shè)備相連接，也可以直接連到片內(nèi)的其他模塊上。同樣，F(xiàn)PGA片內(nèi)未被使用的資源仍然可以被配置到其他模塊使用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。
　電路板上只有一個(gè)頻率為50 MHz的外部晶振，顯然無(wú)法滿足設(shè)計(jì)所需的各種頻率要求。于是采用FPGA內(nèi)嵌的模擬鎖相環(huán)PLL（Phase Lock Loop）進(jìn)行分頻與倍頻，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊不同頻率的要求。由鎖相環(huán)模塊提供CPU的時(shí)鐘和SDRAM的時(shí)鐘（兩個(gè)時(shí)鐘大小均為50 MHz，相位相差63°），以及光電編碼器數(shù)據(jù)采集模塊所需的高頻時(shí)鐘200 MHz。當(dāng)產(chǎn)生測(cè)量時(shí)間按鍵中斷時(shí)，小球做自由落體運(yùn)動(dòng)，下落的過(guò)程中遮擋光電門(mén)對(duì)管時(shí)，產(chǎn)生一系列脈沖，以高頻200 MHz為基準(zhǔn)頻率測(cè)出相鄰脈沖上升沿之間的時(shí)間就是要測(cè)量的時(shí)間。當(dāng)產(chǎn)生測(cè)量距離按鍵中斷時(shí)，小球再次通過(guò)光電門(mén)對(duì)管，遮擋光電門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列脈沖，通過(guò)測(cè)量模塊得到相鄰兩個(gè)脈沖上升沿之間編碼器的轉(zhuǎn)數(shù)N，要測(cè)的位移S=N×c，其中c為光電編碼器轉(zhuǎn)軸的周長(zhǎng)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　為了操作這些片上硬件，SoPC Builder提供了一個(gè)編寫(xiě)軟件代碼的NiosII集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）[6]，軟件編程采用C語(yǔ)言和VHDL語(yǔ)言完成，在NiosII IDE下完成所有軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)，包括編輯、編譯、調(diào)試程序和下載[7]。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)NiosII處理器系統(tǒng)的需求自動(dòng)生成開(kāi)發(fā)向?qū)В苊馐謩?dòng)設(shè)置帶來(lái)的不便，節(jié)省時(shí)間，縮短開(kāi)發(fā)周期[8]?；赟oPC平臺(tái)NiosII處理器的整個(gè)軟件系統(tǒng)由實(shí)現(xiàn)不同軟件功能的模塊組成，包括：主程序模塊、串口中斷子程序、光電編碼測(cè)量子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理子程序和上位機(jī)顯示程序。
    在本測(cè)量系統(tǒng)中，NiosII程序?qū)崿F(xiàn)如下3個(gè)任務(wù)。（1）系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)按鍵，當(dāng)按下按鍵時(shí)，由NiosII軟核識(shí)別鍵值完成不同的中斷操作。（2）通過(guò)UART模塊得到上位機(jī)發(fā)出的控制任務(wù)及控制參數(shù)，接收與步進(jìn)電機(jī)同軸的光電編碼器的反饋信號(hào)，經(jīng)CPU計(jì)算和處理后得到糾正后的PWM控制參數(shù)并傳達(dá)給自定制的PWM模塊，由PWM模塊輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的位移。（3）進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和進(jìn)制轉(zhuǎn)換，中間過(guò)程要進(jìn)行乘法除法運(yùn)算，測(cè)量的時(shí)間換算成秒為單位，位移換算成米為單位。
　圖5是測(cè)量系統(tǒng)的主程序流程圖。系統(tǒng)初始化時(shí)，使用函數(shù)IOWR（SIGNAL_CAP_0_BASE，0，1）將采集模塊全局信號(hào)復(fù)位，接著判斷串口是否有數(shù)據(jù)，處理串口數(shù)據(jù)，判斷按鍵值，使用KEY->INTERRUPT_MASK=1注冊(cè)中斷，使用alt_irq_register（KEY_IRQ，NULL，ISR_key）來(lái)建立用戶中斷程序，對(duì)各個(gè)按鍵中斷響應(yīng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序sig_cap_irq_proc_tests、sig_cap_irq_proc_testt、sig_ cap_irq_proc_ up、sig_cap_irq_proc_down、sig_cap_irq_proc_ stop。當(dāng)完成時(shí)間/位移測(cè)量后，產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷，將標(biāo)志flag_INT置1。當(dāng)主循環(huán)程序判斷flag_INT為1時(shí)，就可以從外擴(kuò)的SDRAM中將時(shí)間/位移數(shù)據(jù)讀入SDRAM中，其中包括用戶自定義指令和硬件模塊實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和進(jìn)制轉(zhuǎn)換部分。最后主要使用IOWR_ ALTERA_AVALON_PIO_DATA（SEG_SEL_BASE，0xff）、IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（SEG_SEL_BASE，bittab[cnt]）和IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_STATUS（TIMER_BASE，0）3個(gè)函數(shù)來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果。

　本文基于NiosII設(shè)計(jì)了自由落體分析儀，提出了一種軟硬件綜合的解決方案，同時(shí)完成了底層的硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件的實(shí)現(xiàn)。由于SoPC技術(shù)先天具有巨大的靈活性，因此在本文設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可以配合NiosII軟核的強(qiáng)大功能進(jìn)行功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級(jí)，以提高系統(tǒng)的性能，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。不僅如此，采用IP核復(fù)用技術(shù)基于NiosII進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以大大縮短硬件開(kāi)發(fā)周期。
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