基于Nios_II的电流电压表设计

1、基于Nios_II的电流/电压表设计引言数字电压表在1952年由美国NLS公司首次创造，它刚开始是4位，50多年来，数字电压表有了不断的进步和提高。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。开始是4位数码显示，然后是5位、6位显示，而现在发展到7位、8位数码显示；从最初的一两种类型发展到原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器、电子管发展到全晶体管、集成电路、微处理器化；从一台仪器只能测1-2种参数到能测几十种参数的多用型；显示器件也从辉光数码管发展到等离子体管、发光二极管、液晶显示器等。数字电压表的体积和功耗越来越小，重量不断变轻，价格也逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也逐步扩大。本

2、题目所设计的电压、电流表是利用模拟/数字交换器（A/D）原理，以十进制数字形式显示被测电压值、电流值的仪表。其以Nios II处理器为核心，用A/D转换芯片采样电压、电流值，加以相应的软件程序控制整个系统的运行，与传统的ASIC电压表相比，灵活性和可扩展性得到了明显的提高，功能和实用性也得到了很大的改善。本设计预期实现测量电压变化范围：025V，电流变化范围：01500mA。其灵活，方便的设计将给实验、教学等带来更大的便利。10基于Nios_II的电流/电压表设计1 系统设计原理本设计利用AD7822作为电压、电流采样端口，带有nios II处理器的FPGA作为系统的核心器件，用LED数码管进

3、行数码的显示。其系统原理图如图1所示。Avalon总线LED数码管被采样电压电流值 调理电路SPI串口AD7822 NiosII 处理器图1 系统原理图调理电路由电压、电流衰减电路和电流-电压转换电路组成。Nios II处理器采用的是Altera公司的cyclone芯片控制整个设计的运行，包括AD7822A/D转换的启动、地址锁存、输入通道选择、数据读取等。同时，把读取的8位二进制数据转换成便于输出的3位十进制BCD码送给数码管，以显示当前测量电压、电流值。2 硬件系统设计2.1 硬件系统的配置2.1.1 概述SPI(串行外设接口)接口总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设

4、备以串行方式进行通信以交换信息。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。（1）SDO 主设备数据输出，从设备数据输入（2）SDI 主设备数据输入，从设备数据输出（3）SCLK 时钟信号，由主设备产生（4）CS 从设备使能信号，由主设备控制其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连

5、接多个SPI设备成为可能。Nios系统的所有外设都是通过Avalon总线与Nios CPU相接的，Avalon总线是一种协议较为简单的片内总线，Nios通过Avalon总线与外界进行数据交换。Avalon总线的特点有： 所有外设的接口与Avalon总线时钟同步，不需要复杂的握手/应答机制。这样就简化了Avalon总 线的时序行为，而且便于集成高速外设。Avalon总线以及整个系统的性能可以采用标准的同步时序分析技术来评估。 所有的信号都是高电平或低电平有效，便于信号在总线中高速传输。在Avalon总线中，由数据选择器(而不是三态缓冲器)决定哪个信号驱动哪个外设。因此外设即使在未被选中时也不需要

6、将输出置为高阻态。 为了方便外设的设计，地址、数据和控制信号使用分离的、专用的端口。外设不需要识别地址总线周期和数据总线周期，也不需要在未被选中时使输出无效。分离的地址、数据和控制通道还简化了与片上用户自定义逻辑的连接 。选用本款Altera 器件来进行设计的原因CycloneII是Altera公司推出的第二代产品，速度较快，逻辑资源丰富，是性价比很高的FPGA器件之一。DE1开发板所采用的EP2C20器件，片上资源丰富，包括两个CPU软核，以及大量的IP核，如flash控制器、SDRAM及其控制器，PLL等这正符合了我们系统的需求。ALTERA DE1开发板，资源非常丰富，包括VGA、音频、

7、UART和丰富的GPIO，符合本系统的需求。开发软件采用QuartusII7.2和NiosII IDE7.2简单易用，SOPC Builder是集成在QuartusII内部的SOPC系统级开发工具，利用它可方便的构建一个SOPC系统。所带的EDA工具具有丰富的调试资源，如综合器，仿真器和时序器。3 电流转换电压电路 电流表的设计中因为采集到的电流是很低的电流，需要放大为电压信号方便采集，所以采取用运放的I/U电路。如图3-3-2所示为电流-电压转换电路。图3-3-2 电流转换电压电路在理想运放条件下，输入电阻Ri=0，因而iF=iS，故输出电压Rs比Ri大得愈多，转换精度愈高。4软件系统设计4

8、.1 A/D采样模块通过对系统需求进行分析，此模块的功能设计可分为数据采集控制逻辑、数据接口、数据处理逻辑三部分，其整体功能框架如图4-2所示。图4-1 A/D采样模块功能框架功能描述： 数据采集控制逻辑：产生A/D 转换需要的控制信号。 数据接口：提供一个外部A/D 采集的数据流向AVALON 总线的数据通道，主要是完成速度匹配，接口时序转换。 数据处理单元：此部分主要是提供一些附加功能，如：检测外部信号或内部其它单元的工作状态，进行简单信息处理。4.2数据采集控制逻辑A/D转换由AD7822完成，需要Nios II处理器对其进行控制，由AD7822的时序（见图3.1.1.2）可以知道，转换

9、过程由启动信号CONVST（低有效）启动，当片选信号CS和读信号RD均为低时，进行A/D转换，转换完成后，输出EOC（低有效）信号，此时可以读取数据DB0-DB7，之后可以进入下一个转换周期。该控制模块用C语言实现。4.2.1 AD7822接口代码在这一部分，主要存在的问题是：相对于AVALON 总线信号来说，A/D 采样的速率非常低，而且，AVALON 总线的接口信号和ADC0804 数据输出的接口信号时序不一致。因此，要实现满足要求的数据通道，要做到两点，数据缓冲，实现速率匹配。信号隔离，实现接口时序的转换。AD7822芯片与FPGA的逻辑关系如图3.2.2所示，各端口定义如下:input

10、 7:0 data;input reset,clk,eoc;input convst;output cs,rd; reg cs,rd;parameter a=2'b00;parameter b=2'b01;parameter c=2'b10;4.2.2数据处理单元在这一部分，设计中实现了外部数据的异常检测，即、当外部的数据超过预设的范围时，数据处理模块会向处理器输出中断信号，通知处理器进行处理。由于此部分在实现时没有时序上的严格要求，只须完成功能需求即可，其难易与其实现的功能相关，就本例实现的功能而言，逻辑描述比较简单。4.2.3 仿真结果AD7822接口代码仿真结果：

11、图4-2 AD7822接口代码仿真结果A/D 采样控制所采数据的仿真结果：图4-3 A/D 采样控制所采数据的仿真结果5.系统软件流程图本设计的软件流程图如图4-4所示。系统开始后，进行初始化设置，接着A/D转换芯片对信号进行采样和A/D转换，程序控制读取数据并进行相应处理后将数据送入数码管进行显示，然后整个软件程序结束。结束显示读取数据A/D转换采样保持初始化开始图5软件流程图结论本文以基于Nios_II的电流/电压表设计为选题，采用VerilogHDL硬件描述语言进行描述和C语言编写相关程序，并运用Quartus II 、NiosII等设计工具完成设计。在本设计中，电流/电压表由调理电路、

12、A/D转换芯片、Nios II处理器和LED数码管四部分组成。在理解电流/电压表工作原理和合理划分顶层模块的基础上，使用Quartus II 、NiosII等EDA工具自顶向下依次完成各个模块的设计和仿真，逐步完成了整个电流/电压表的设计、仿真和综合。最终实现实际电压变化范围：025V，电流变化范围：01500mA。在最终测试中，改变电位器的电位，电压表会随之改变相应的电压测量值，电流/电压表功能稳定，能够满足对025V电压的测量。本次设计是在用Nios II处理器设计电流/电压表的一次初步的研究。因此，在一些功能指标上仍有一定的不足和待改进得空间。如采集到的电压保持的并不是很稳定，可以采用稳压电路对其进行稳压处理。也可对此设计进行必要的扩展，如加入不同的测量量程，使其测量范围更广，适用性更强。参考文献（1）周立功等，SOPC嵌入式系统实验教程（一），北京航空航天大学出版社，2006。（2）周立功等,SOPC嵌入式系统基础教程，北京航空航天大学出版社，2006。（3）杜慧敏、李宥谋，基