基于NiosII的高精度数控直流稳压电源设计

1 引言
    直流稳压电源是各种电子设备不可缺少的组成部分，广泛用于教学、科研、各种终端设备和通信设备中，其作用是把交流电转换成满足一定性能的直流电供给电子设备的其他部件使用。某电子设备不仅要求其供电电源具有良好的性能，还要求运行时电源的输出电压值由程序可控。这种情况下，用模拟电路方法无法实现。针对此种应用需求，可采用可编程逻辑器件FPGA(Field Programmable Gate Array)来实现这一功能：以32位嵌入式NiosⅡ软核为处理器，将其嵌入FPGA中运行相应的控制程序，从而实现一个基于Nios II的高精度数控直流稳压电源。与传统的数控直流稳压电源相比．该设计不仅结构紧凑、精度高，而且硬件容易升级。

2 系统总体结构设计
    图1为利用SoPC Builder工具开发的基于Nios II的数控电源硬件系统框图，该系统实际是一个内嵌于FPGA器件中的基于NiosⅡ软核的嵌人式最小应用系统。其硬件系统主要由Avalon数据总线、 EPCS控制器、键盘接口、Nios II软核CPU、SDRAM控制器、LCD控制器、I／O输出模块和相应的外围器件组成。Nios II软核CPU是32位嵌入式处理器，承担运算、控制和信息处理等多项任务；EPCS控制器及其外围的存储器，构成串行电可擦除Flash存储系统。主要用于存储FP-GA配制文件及Nios II软核CPU执行程序代码；SDRAM控制器用来控制SDRAM，保证Nios II处理器能顺利地对SDRAM进行读写操作；SDRAM用于存储用户程序代码和Nios II软核CPU运行时的重要数据；键盘和键盘接口构成本系统的输入设备，输入的信息通过Avalon数据总线被送至Nios II软核CPU；LCD控制器是用户自定组件，它与外围240x128液晶显示屏构成字符显示设备，用于显示人机界面和输出电压值。

3 关键器件选型
    这里所用到的关键器件主要有可编程逻辑器件FPGA、串行电可擦除Flash存储器、SDRAM存储器、D／A转换器和240x128液晶显示器等。
    考虑设计成本等因素，可编程逻辑器件FPGA采用EP1C6Q240C8低功耗器件。该器件采用逻辑阵列模块(LAB)和查找表(LUT)结构，内核采用 1．5 V电压供电，其内部资源丰富，内嵌5 980个逻辑单元(LE)、20个4 K字节双口存储单元(M4K RAM block)和92 160 bit的高速RAM等。串行电可擦除Flash存储器采用Altera公司的EPCS16ST16N集成电路；SDRAM存储器采用三星公司的 K4S641632H；D／A转换器采用National Semiconductor公司的DAC0832；为增加显示信息，采用240x128型液晶显示器显示字符。[!--empirenews.page--]

4 系统硬件设计
4．1 基于Nios II最小系统的SoPC
    打开QuartuslI中的SoPC Builder开发工具，在Altera公司的可编程逻辑器件FPGA中，把相应的IP核添加到系统中，构建一个基于Nios II的嵌入式可编程片上硬件系统。SoPC Builder是一个功能强大的SoPC开发工具，它使开发者在可编程逻辑器件能够定义并生成一个完全意义的Nios II系统，而所用的时间比采用传统手工设计方法少得多。而且，SoPC Builder提供有很多免费的IP核，设计者可根据实际需求任意添加与裁减。设计者还能根据实现情况。选择SoPC Builder中3种不同的NiosII处理核(经济型Nios II、标准型NiosⅡ和快速型Nios II)以满足用户要求。图2为利用SoPC Builder开发工具定制的SoPC系统。Nios_cpu选择标准型(Nios II/S)，具有4 Kbit的InstructionCashe，其性能指数超过22 DMI／s；lcd_controller是自定义用户逻辑组件，控制240x128液晶显示屏；ikeyboat为键盘输入接口；PIO_DATA为输出数据通道，电压控制数据可通过此通道送至D／A转换器。

4．2 电源电路
    图3为系统电源电路图，主要由变压器、桥式整流电路、电容滤波电路和各种类型三端稳压器件组成，能输出±15 V、+5 V和+10 V 4组稳压直流电源。±15 V作为主输出电源，除为各级运放电路提供电源外，还为功率放大电路提供电源；+5 V为FPGA器件的工作电压；+10 V为D／A转换器的参考电压，保证输出电压能在0~10 V内连续变化。为使电路具有较大的输出功率，在每片3端稳压管中安装有较大的散热片。

4．3 D／A转换电路
    为实现电压值的D／A模转换，在电路中还要专门设计D／A转换电路，如图4所示。为降低设计成本，采用8位DAC0832转换器。DAC0832属于倒T 型电阻网络型D／A转换器，内部无运算放大器，输出为电流形式，因此，使用时，需外接一个运算放大器。DAC0832可根据实际情况接成双缓冲、单缓冲和直缓冲3种形式，此D／A转换器接成第3种形式使用，即引脚1、2、17、18接低电平，19引脚接+5 V。引脚8为参考电压输入端口，接+10 V电源，当数字输入端全为高电平时，模拟输出端为-1O V。
4．4 功率放大电路
    虽然D／A转换电路输出电压幅值大小满足任意可设要求，但其输出电流过小，不能驱动负载。为增大输出电流，增强带负载能力，还需设计一个电压增益为1的功率放大电路，其电路如图5所示。图5中，R1、R2和LM324构成一个电压增益为1的反相比例放大电路；VQ1为大功率三极管，在加散热片的条件下，最大输出电流可达到3 A；C1、L1和C2构成π型LC滤波器，可进一步滤除电源的波纹，提高电源的输出性能。

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    开机进入界面初始化程序，用户可根据界面的提示进行操作，然后读键盘值并判别此值是否有效，如无效，则返回，如值有效，则根据此值执行相应的模块操作，最后刷新显示屏并返回。

6 测试结果
    把已编译过的程序下载到硬件平台中运行，并测试系统。在程序运行过程中，用UT51数字万用表的20 V档测量系统的输出电压值，表1为该系统在运行电压设值程序时所测得结果；表2为该系统在执行电压步进程序时所测得结果，其进步值为0．01 V。测试结果表明，该系统输出电压误差小，系统精度较高。

7 注意事项
    在工程实践中，可根据工程具体要求改进本系统有关参数。例如，为了提高输出电源的控制精度，在选择D／A转换器时，采用10位或者更多位D／A转换器，从而提高系统输出电压的分辨率。另一方面，若设备运行环境恶劣，则需提高系统的抗干扰能力。因此，在制作系统PCB板时，应考虑如下因素：(1)注意电源线与地线的布线实践表明，由于电源线与地线布线不合理，常会产生噪音干扰，影响系统的稳定性。抑制此噪音的方法是，在电源线与地线之间增加去耦电容并增加走线宽度。 (2)要处理好数字地与模拟地问题在数字电路和模拟电路混合布线时，数字电路地与模拟电路地是分开的，最终采用一点相连。(3)采用“隔离”技术为了进一步提高系统的抗干扰能力，有时考虑采用“隔离”技术，有效地把系统“隔离”起来。

8 结论
    设计一个基于NiosⅡ的高精度数控直流稳压电源系统，首先给出系统的硬件设计框图，然后分别介绍系统的软硬件设计方法，并给出该系统的测试结果。测试结果表明，该系统控制精度高，抗干扰能力强，已成功应用于某个电子设备中，具有较好的实用价值。