基于NiosII的高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

1 引言

直流穩(wěn)壓電源是各種電子設(shè)備不可缺少的組成部分，廣泛用于教學(xué)、科研、各種終端設(shè)備和通信設(shè)備中，其作用是把交流電轉(zhuǎn)換成滿足一定性能的直流電供給電子設(shè)備的其他部件使用。某電子設(shè)備不僅要求其供電電源具有良好的性能，還要求運行時電源的輸出電壓值由程序可控。這種情況下，用模擬電路方法無法實現(xiàn)。

針對此種應(yīng)用需求，可采用可編程邏輯器件FPGA(Field Programmable Gate Array)來實現(xiàn)這一功能：以32位嵌入式NiosⅡ軟核為處理器，將其嵌入FPGA中運行相應(yīng)的控制程序，從而實現(xiàn)一個基于Nios II的高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。與傳統(tǒng)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源相比．該設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)緊湊、精度高，而且硬件容易升級。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為利用SoPC Builder工具開發(fā)的基于Nios II的數(shù)控電源硬件系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)實際是一個內(nèi)嵌于FPGA器件中的基于NiosⅡ軟核的嵌人式最小應(yīng)用系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)主要由Avalon數(shù)據(jù)總線、 EPCS控制器、鍵盤接口、Nios II軟核CPU、SDRAM控制器、LCD控制器、I／O輸出模塊和相應(yīng)的外圍器件組成。Nios II軟核CPU是32位嵌入式處理器，承擔(dān)運算、控制和信息處理等多項任務(wù)；

EPCS控制器及其外圍的存儲器，構(gòu)成串行電可擦除Flash存儲系統(tǒng)。主要用于存儲FP-GA配制文件及Nios II軟核CPU執(zhí)行程序代碼；SDRAM控制器用來控制SDRAM，保證Nios II處理器能順利地對SDRAM進(jìn)行讀寫操作；SDRAM用于存儲用戶程序代碼和Nios II軟核CPU運行時的重要數(shù)據(jù)；鍵盤和鍵盤接口構(gòu)成本系統(tǒng)的輸入設(shè)備，輸入的信息通過Avalon數(shù)據(jù)總線被送至Nios II軟核CPU；LCD控制器是用戶自定組件，它與外圍240x128液晶顯示屏構(gòu)成字符顯示設(shè)備，用于顯示人機界面和輸出電壓值。


3 關(guān)鍵器件選型

這里所用到的關(guān)鍵器件主要有可編程邏輯器件FPGA、串行電可擦除Flash存儲器、SDRAM存儲器、D／A轉(zhuǎn)換器和240x128液晶顯示器等。

考慮設(shè)計成本等因素，可編程邏輯器件FPGA采用EP1C6Q240C8低功耗器件。該器件采用邏輯陣列模塊(LAB)和查找表(LUT)結(jié)構(gòu)，內(nèi)核采用 1．5 V電壓供電，其內(nèi)部資源豐富，內(nèi)嵌5 980個邏輯單元(LE)、20個4 K字節(jié)雙口存儲單元(M4K RAM block)和92 160 bit的高速RAM等。串行電可擦除Flash存儲器采用Altera公司的EPCS16ST16N集成電路；SDRAM存儲器采用三星公司的 K4S641632H；D／A轉(zhuǎn)換器采用National Semiconductor公司的DAC0832；為增加顯示信息，采用240x128型液晶顯示器顯示字符。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4．1 基于Nios II最小系統(tǒng)的SoPC

打開QuartuslI中的SoPC Builder開發(fā)工具，在Altera公司的可編程邏輯器件FPGA中，把相應(yīng)的IP核添加到系統(tǒng)中，構(gòu)建一個基于Nios II的嵌入式可編程片上硬件系統(tǒng)。SoPC Builder是一個功能強大的SoPC開發(fā)工具，它使開發(fā)者在可編程邏輯器件能夠定義并生成一個完全意義的Nios II系統(tǒng)，而所用的時間比采用傳統(tǒng)手工設(shè)計方法少得多。而且，SoPC Builder提供有很多免費的IP核，設(shè)計者可根據(jù)實際需求任意添加與裁減。設(shè)計者還能根據(jù)實現(xiàn)情況。選擇SoPC Builder中3種不同的NiosII處理核(經(jīng)濟(jì)型Nios II、標(biāo)準(zhǔn)型NiosⅡ和快速型Nios II)以滿足用戶要求。圖2為利用SoPC Builder開發(fā)工具定制的SoPC系統(tǒng)。Nios_cpu選擇標(biāo)準(zhǔn)型(Nios II/S)，具有4 Kbit的InstructionCashe，其性能指數(shù)超過22 DMI／s；lcd_controller是自定義用戶邏輯組件，控制240x128液晶顯示屏；ikeyboat為鍵盤輸入接口；PIO_DATA為輸出數(shù)據(jù)通道，電壓控制數(shù)據(jù)可通過此通道送至D／A轉(zhuǎn)換器。


4．2 電源電路

圖3為系統(tǒng)電源電路圖，主要由變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路和各種類型三端穩(wěn)壓器件組成，能輸出±15 V、+5 V和+10 V 4組穩(wěn)壓直流電源。±15 V作為主輸出電源，除為各級運放電路提供電源外，還為功率放大電路提供電源；+5 V為FPGA器件的工作電壓；+10 V為D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓，保證輸出電壓能在0~10 V內(nèi)連續(xù)變化。為使電路具有較大的輸出功率，在每片3端穩(wěn)壓管中安裝有較大的散熱片。


4．3 D／A轉(zhuǎn)換電路

為實現(xiàn)電壓值的D／A模轉(zhuǎn)換，在電路中還要專門設(shè)計D／A轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。為降低設(shè)計成本，采用8位DAC0832轉(zhuǎn)換器。DAC0832屬于倒T 型電阻網(wǎng)絡(luò)型D／A轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部無運算放大器，輸出為電流形式，因此，使用時，需外接一個運算放大器。DAC0832可根據(jù)實際情況接成雙緩沖、單緩沖和直緩沖3種形式，此D／A轉(zhuǎn)換器接成第3種形式使用，即引腳1、2、17、18接低電平，19引腳接+5 V。引腳8為參考電壓輸入端口，接+10 V電源，當(dāng)數(shù)字輸入端全為高電平時，模擬輸出端為-1O V。


4．4 功率放大電路

雖然D／A轉(zhuǎn)換電路輸出電壓幅值大小滿足任意可設(shè)要求，但其輸出電流過小，不能驅(qū)動負(fù)載。為增大輸出電流，增強帶負(fù)載能力，還需設(shè)計一個電壓增益為1的功率放大電路，其電路如圖5所示。圖5中，R1、R2和LM324構(gòu)成一個電壓增益為1的反相比例放大電路；VQ1為大功率三極管，在加散熱片的條件下，最大輸出電流可達(dá)到3 A；C1、L1和C2構(gòu)成π型LC濾波器，可進(jìn)一步濾除電源的波紋，提高電源的輸出性能。


開機進(jìn)入界面初始化程序，用戶可根據(jù)界面的提示進(jìn)行操作，然后讀鍵盤值并判別此值是否有效，如無效，則返回，如值有效，則根據(jù)此值執(zhí)行相應(yīng)的模塊操作，最后刷新顯示屏并返回。


6 測試結(jié)果

把已編譯過的程序下載到硬件平臺中運行，并測試系統(tǒng)。在程序運行過程中，用UT51數(shù)字萬用表的20 V檔測量系統(tǒng)的輸出電壓值，表1為該系統(tǒng)在運行電壓設(shè)值程序時所測得結(jié)果；表2為該系統(tǒng)在執(zhí)行電壓步進(jìn)程序時所測得結(jié)果，其進(jìn)步值為0．01 V。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)輸出電壓誤差小，系統(tǒng)精度較高。

7 注意事項

在工程實踐中，可根據(jù)工程具體要求改進(jìn)本系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。例如，為了提高輸出電源的控制精度，在選擇D／A轉(zhuǎn)換器時，采用10位或者更多位D／A轉(zhuǎn)換器，從而提高系統(tǒng)輸出電壓的分辨率。另一方面，若設(shè)備運行環(huán)境惡劣，則需提高系統(tǒng)的抗干擾能力。因此，在制作系統(tǒng)PCB板時，應(yīng)考慮如下因素：(1)注意電源線與地線的布線實踐表明，由于電源線與地線布線不合理，常會產(chǎn)生噪音干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。抑制此噪音的方法是，在電源線與地線之間增加去耦電容并增加走線寬度。 (2)要處理好數(shù)字地與模擬地問題在數(shù)字電路和模擬電路混合布線時，數(shù)字電路地與模擬電路地是分開的，最終采用一點相連。(3)采用“隔離”技術(shù)為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，有時考慮采用“隔離”技術(shù)，有效地把系統(tǒng)“隔離”起來。

8 結(jié)論

設(shè)計一個基于NiosⅡ的高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，首先給出系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖，然后分別介紹系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，并給出該系統(tǒng)的測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制精度高，抗干擾能力強，已成功應(yīng)用于某個電子設(shè)備中，具有較好的實用價值。

編輯：博子