基于NiosII的高精度數控直流穩壓電源設計

1 引言
??? 直流穩壓電源是各種電子設備不可缺少的組成部分，廣泛用于教學、科研、各種終端設備和通信設備中，其作用是把交流電轉換成滿足一定性能的直流電供給電子設備的其他部件使用。某電子設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。針對此種應用需求，可采用可編程邏輯器件FPGA(Field Programmable Gate Array)來實現這一功能：以32位嵌入式NiosⅡ軟核為處理器，將其嵌入FPGA中運行相應的控制程序，從而實現一個基于Nios II的高精度數控直流穩壓電源。與傳統的數控直流穩壓電源相比．該設計不僅結構緊湊、精度高，而且硬件容易升級。

2 系統總體結構設計
??? 圖1為利用SoPC Builder工具開發的基于Nios II的數控電源硬件系統框圖，該系統實際是一個內嵌于FPGA器件中的基于NiosⅡ軟核的嵌人式最小應用系統。其硬件系統主要由Avalon數據總線、 EPCS控制器、鍵盤接口、Nios II軟核CPU、SDRAM控制器、LCD控制器、I／O輸出模塊和相應的外圍器件組成。Nios II軟核CPU是32位嵌入式處理器，承擔運算、控制和信息處理等多項任務；EPCS控制器及其外圍的存儲器，構成串行電可擦除Flash存儲系統。主要用于存儲FP-GA配制文件及Nios II軟核CPU執行程序代碼；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運行時的重要數據；鍵盤和鍵盤接口構成本系統的輸入設備，輸入的信息通過Avalon數據總線被送至Nios II軟核CPU；LCD控制器是用戶自定組件，它與外圍240x128液晶顯示屏構成字符顯示設備，用于顯示人機界面和輸出電壓值。

3 關鍵器件選型
??? 這里所用到的關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轉換器和240x128液晶顯示器等。
??? 考慮設計成本等因素，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)結構，內核采用 1．5 V電壓供電，其內部資源豐富，內嵌5 980個邏輯單元(LE)、20個4 K字節雙口存儲單元(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 系統硬件設計
4．1 基于Nios II最小系統的SoPC
??? 打開QuartuslI中的SoPC Builder開發工具，在Altera公司的可編程邏輯器件FPGA中，把相應的IP核添加到系統中，構建一個基于Nios II的嵌入式可編程片上硬件系統。SoPC Builder是一個功能強大的SoPC開發工具，它使開發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，而所用的時間比采用傳統手工設計方法少得多。而且，SoPC Builder提供有很多免費的IP核，設計者可根據實際需求任意添加與裁減。設計者還能根據實現情況。選擇SoPC Builder中3種不同的NiosII處理核(經濟型Nios II、標準型NiosⅡ和快速型Nios II)以滿足用戶要求。圖2為利用SoPC Builder開發工具定制的SoPC系統。Nios_cpu選擇標準型(Nios II/S)，具有4 Kbit的InstructionCashe，其性能指數超過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為輸出數據通道，電壓控制數據可通過此通道送至D／A轉換器。

4．2 電源電路
??? 圖3為系統電源電路圖，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壓器件組成，能輸出±15 V、+5 V和+10 V 4組穩壓直流電源。±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轉換器的參考電壓，保證輸出電壓能在0~10 V內連續變化。為使電路具有較大的輸出功率，在每片3端穩壓管中安裝有較大的散熱片。

4．3 D／A轉換電路
??? 為實現電壓值的D／A模轉換，在電路中還要專門設計D／A轉換電路，如圖4所示。為降低設計成本，采用8位DAC0832轉換器。DAC0832屬于倒T 型電阻網絡型D／A轉換器，內部無運算放大器，輸出為電流形式，因此，使用時，需外接一個運算放大器。DAC0832可根據實際情況接成雙緩沖、單緩沖和直緩沖3種形式，此D／A轉換器接成第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，當數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轉換電路輸出電壓幅值大小滿足任意可設要求，但其輸出電流過小，不能驅動負載。為增大輸出電流，增強帶負載能力，還需設計一個電壓增益為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，最大輸出電流可達到3 A；C1、L1和C2構成π型LC濾波器，可進一步濾除電源的波紋，提高電源的輸出性能。

??? 開機進入界面初始化程序，用戶可根據界面的提示進行操作，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，則根據此值執行相應的模塊操作，最后刷新顯示屏并返回。

6 測試結果
??? 把已編譯過的程序下載到硬件平臺中運行，并測試系統。在程序運行過程中，用UT51數字萬用表的20 V檔測量系統的輸出電壓值，表1為該系統在運行電壓設值程序時所測得結果；表2為該系統在執行電壓步進程序時所測得結果，其進步值為0．01 V。測試結果表明，該系統輸出電壓誤差小，系統精度較高。

7 注意事項
??? 在工程實踐中，可根據工程具體要求改進本系統有關參數。例如，為了提高輸出電源的控制精度，在選擇D／A轉換器時，采用10位或者更多位D／A轉換器，從而提高系統輸出電壓的分辨率。另一方面，若設備運行環境惡劣，則需提高系統的抗干擾能力。因此，在制作系統PCB板時，應考慮如下因素：(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，常會產生噪音干擾，影響系統的穩定性。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)要處理好數字地與模擬地問題在數字電路和模擬電路混合布線時，數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”技術為了進一步提高系統的抗干擾能力，有時考慮采用“隔離”技術，有效地把系統“隔離”起來。

8 結論
??? 設計一個基于NiosⅡ的高精度數控直流穩壓電源系統，首先給出系統的硬件設計框圖，然后分別介紹系統的軟硬件設計方法，并給出該系統的測試結果。測試結果表明，該系統控制精度高，抗干擾能力強，已成功應用于某個電子設備中，具有較好的實用價值。