基于Nios II的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置研究

利用SOPC強(qiáng)大的IP核和容易配置的優(yōu)勢簡化設(shè)計(jì)流程。充分發(fā)揮NiosⅡ強(qiáng)大的并行處理能力。該系統(tǒng)主要涉及多個(gè)下位機(jī)與FPGA的通信問題。

　　1. 功能描述

　　1.1 整體設(shè)計(jì)思路

　　利用SOPC強(qiáng)大的IP核和容易配置的優(yōu)勢簡化設(shè)計(jì)流程。充分發(fā)揮NiosⅡ強(qiáng)大的并行處理能力。該系統(tǒng)主要涉及多個(gè)下位機(jī)與FPGA的通信問題。通過SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)可以很容易的構(gòu)造多個(gè)UART接口，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。在Quartus中可以用VHDL/Verilog語言寫入總線復(fù)用模塊，解決SRAM、SDRAM、FLASH之間存在的總線沖突問題。

　　顯示和操作部分的硬件主要在Altera的CycloneⅡEPSC35板上由SOPC Builder配置實(shí)現(xiàn)。傳感檢測和信號(hào)處理部分則通過系統(tǒng)擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)。特別是放大和A/D轉(zhuǎn)換部分，必須由專門的模塊來處理。

　　1.2 系統(tǒng)的主要功能

　　旋風(fēng)預(yù)熱器仿真主要實(shí)現(xiàn)對水泥回轉(zhuǎn)窯模型在模擬工作狀態(tài)下的參數(shù)檢測和控制。由傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大和修正送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入作為下位機(jī)的AT89S52系列單片機(jī)中，通過串口通信的方式將數(shù)據(jù)流送入作為上位機(jī)的DE2開發(fā)板中，利用NiosⅡ軟核的VGA視頻顯示功能將采集的數(shù)據(jù)顯示為狀態(tài)曲線。

　　同時(shí)，利用FPGA快速反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)部分的控制，從而對模型的模擬工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)控。整個(gè)旋風(fēng)筒模型由透明的有機(jī)玻璃構(gòu)成，具有很強(qiáng)的觀賞性。LED燈的提示和LCD的數(shù)字顯示更加提高了整體的實(shí)用性。由于系統(tǒng)的各個(gè)單元之間存在獨(dú)立性，因此，本系統(tǒng)可以做為教學(xué)上的演示模型。傳感器的用法，A/D的用法，放大的原理以及通信和FPGA的使用都可以獨(dú)立的用來作為教學(xué)模型。在旋風(fēng)筒模型上預(yù)留了各成120度的三維測量孔，裝入傳感器后可以同時(shí)在X、Y、Z三維場中檢測，實(shí)現(xiàn)同一參數(shù)的三維測量。因此，該系統(tǒng)在科研方面也具有很大的實(shí)用性。

　　2. 系統(tǒng)模塊概述

　　本系統(tǒng)主要由檢測單元、信號(hào)放大修正單元、串口通信單元、顯示單元組成。各個(gè)部分通過單片機(jī)和FPGA之間的通信聯(lián)系在一起。構(gòu)成一個(gè)完整的集檢測、通信、顯示、控制為一體的系統(tǒng)。本系統(tǒng)只測量模擬工作下一維場中的狀態(tài)參數(shù)。風(fēng)機(jī)的控制使用專用的晶閘管智能控制模塊，直接由0～5V電壓控制輸出0～220V的風(fēng)機(jī)電源電壓。

　　方案的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　3. 模塊功能描述

　　3.1 顯示單元

　　整個(gè)處理過程就是對四路傳感器所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)顯示。通過按鍵操作VGA，讓四路參數(shù)狀態(tài)的曲線可以分屏顯示。顯示屏采用普通的PC機(jī)顯示器，顯示像素為480640。當(dāng)?shù)谝宦窋?shù)據(jù)流通過串口通信送入上位機(jī)后，軟核處理器將該組數(shù)據(jù)流迅速進(jìn)行暫存，按鍵操作VGA顯示函數(shù)選擇屏數(shù)并調(diào)用這部分?jǐn)?shù)據(jù)在顯示屏上依次點(diǎn)亮對應(yīng)的像素點(diǎn)，從而可以將整個(gè)數(shù)據(jù)流所對應(yīng)的狀態(tài)曲線動(dòng)態(tài)的顯示在屏幕上，達(dá)到可視化的監(jiān)控效果。

　　在第一屏進(jìn)行畫線顯示的同時(shí)，處理器將繼續(xù)對各路參數(shù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行接收和緩存。按鍵操作進(jìn)入第二屏后，開始對第二個(gè)參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行畫線和實(shí)時(shí)數(shù)值描述，四路狀態(tài)曲線全部畫完結(jié)束返回。 在這個(gè)過程中，處理器同時(shí)調(diào)用字符液晶顯示和數(shù)碼管的顯示函數(shù)，對當(dāng)前數(shù)據(jù)的平均值和瞬時(shí)值進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值描述。LED用于提示當(dāng)前分屏顯示的屏數(shù)，即提示目前采集的參數(shù)類型。按鍵用于控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。顯示單元的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2