摘要：介紹一種直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案以Nios II作為控制系統(tǒng)的核心單元，采用基于Avalon總線的IP和用戶(hù)自定義的基于Avalon總線的邏輯單元作為外設(shè)，具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，易拓展等特點(diǎn)。

　　引言

　　直流電機(jī)(DC machine)是一種常用的機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的元件，由定子和轉(zhuǎn)子兩種基本結(jié)構(gòu)組成，其中，定子是運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分，主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng);轉(zhuǎn)子是運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。使用者通過(guò)對(duì)外圍輸入信號(hào)的控制間接控制定子和轉(zhuǎn)子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)的工作。

　　目前，在直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，很多設(shè)計(jì)者喜歡采用單片機(jī)(如8051)或者DSP(如MSP430)作為微控制器，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是需要較多的外圍電路和端口，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠高。

　　本設(shè)計(jì)給出一種方案，該方案采用Altera公司提供的Nios II作為控制系統(tǒng)的核心單元;采用Altera提供的基于Avalon總線的IP和用戶(hù)自定義的基于Avalon總線的邏輯單元作為外設(shè);采用DE2開(kāi)發(fā)板作為驗(yàn)證平臺(tái)。

　　Altera提供的DE2開(kāi)發(fā)板擁有豐富的硬件資源：主芯片F(xiàn)PGA(EP2C35)有35K LES，8MB SDRAM，4MB FLASH，4個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，27個(gè)LED燈，80腳擴(kuò)展端口，TV解碼器及其接口，24bits CD品質(zhì)聲道CODEC，USB控制器及其接口，以太網(wǎng)，等等。這些硬件資源能夠滿(mǎn)足較為復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)?！　?/p>

 

　　硬件設(shè)計(jì)

　　如圖1所示的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為FPGA(EP2C35)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，其中：

　　1)Nios II為Altera推出的32位RSIC嵌入式處理器，它作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制著系統(tǒng)的正常工作;

　　2)Timer為定時(shí)器，主要用于系統(tǒng)的中斷等服務(wù);

　　3)JTAG-UART為自定義模塊，主要用于軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中的調(diào)試;

　　4)PIO為自定義外設(shè)模塊，經(jīng)設(shè)計(jì)后可以掛載到Avalon總線上，它與4個(gè)按鍵相連接，這樣按鍵和Nios II之間便可通過(guò)總線進(jìn)行通信;

　　5)按鍵，共4個(gè)，作用分別是控制系統(tǒng)啟動(dòng)，控制電機(jī)加速，控制電機(jī)減速，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向;

　　6)SDRAM控制器為自定義外設(shè)，經(jīng)設(shè)計(jì)后可以掛在到Avalon總線上，這樣Nios II可以經(jīng)過(guò)總線與SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;

　　7)Flash控制器為自定義外設(shè)，經(jīng)設(shè)計(jì)后可以掛在到Avalon總線上，這樣Nios II可以經(jīng)過(guò)總線與Flash進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;

　　8)PWM(脈沖寬度調(diào)制)模塊為自定義模塊，經(jīng)設(shè)計(jì)后可以掛在到Avalon總線上，這樣Nios II可以通過(guò)控制該模塊實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)的功能;

　　9)SDRAM用于存儲(chǔ)軟件運(yùn)行時(shí)的一些指令和數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash用于FPGA下載固化程序;

　　10)驅(qū)動(dòng)電路用于將PWM信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。