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。