基于SOPC的PWM灯控LED显示实现【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 SOPC的 PWM灯控 LED显示实现 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 LED具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵活、响应速度快等优点，其应用范围日益广泛，发展前景广阔。 LED 的灰度控制有两种实现途径，电流控制和 PWM 控制，而 PWM控制更加有利于数字控制。高端的 LED 灯控系统需要多个可以控制 PWM的信号，通常我们采用的方法，一般最多能同时提供 16 路 PWM 信号通道。而在 FPGA 中植入软核 SOPC，可由一片 FPGA 提供多个控制信号，还可以实现系统各种状态

2、的切换控制，同时方便各个外设之间的同步调度。 本课题要求掌握 PWM技术原理，并且在 SOPC Builder环境下，完成基于 SOPC的 PWM灯控 LED显示实现，其过程是 :首先设计本课题要用的 PWM文件，并且利用那些文件生成多 路的 PWM 组件，其次利用一些必要的规范将其和 Nios II 处理器软核及其他组件一起载入到系统，在计算机上配置生成所要求的硬件系统的模块，该模块可被添加到一个顶层模块，通过编译最终生成可下载到 FPGA 的配置文件，这种方案不仅硬件配置灵活、而且实现了单片多通道 PWM 。 关键词： LED； FPGA； 灰度控制 ； PWM； - 2 - Abstra

3、ct There are many Advantages about LED, like energy saving, long life, environmental protection, small size, easy control , fast response and so on .The range of applications are increased widely and the development prospects.There are two ways to control the LED light, about Current control and PWM

4、 control, the latter is more easy to be controlled by the digital. Advanced LED light need multi-channel PWM control signal intensity to control system requires, we usually based on usual method. it can provide sixteen signal channels at most. The technology of SOPC about put the hardcore or softcor

5、e into FPGA can not only realize of multi-channel PWM control by the single-chip FPGA ,but also easily achieve a variety of state of the system switching control and the Synchronize and task scheduling between the various peripherals. The project required to master the principles of the PWM techniqu

6、es, and complete of the PWM control the LED light based on SOPC Builder environment. The scheme includes three Steps: Firstly, design PWM documents we need to generate multi-chip of PWM peripheral components. Secondly, use the necessary bus specification and soft-core in Nios II processor with other

7、 components put into the system .Then use the computer to generate the diagram module about Hardware system and the module can be added to a top-level module. Last through the compiler generates the configuration file that can be downloaded to the FPGA. This program is not only the hardware configur

8、ation flexibility, but also achieved multi-channel PWM chip. Key Words: LED； FPGA； Grayscale control； PWM - 3 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题相关简述 . 1 1.2 本文研究的内容及意义 . 1 1.2.1 研究的主要内容 . 1 1.2.2 研究该课题的意义 . 2 2 QUARTUS 和 SOPC 的介绍 . 3 2.1 QUARTUS II 介绍及开发流程 . 3 2.2 SOPC 的概述 . 4 2.3 FPGA 芯片简介 . 5 2.4 NIOS II简介 . 6

9、 2.4.1 Nios II 内核种类 . 6 2.4.2 Nios II 处理器结构 . 7 2.4.3 Niosll 嵌入式处理器的软硬件开发流程 . 7 3 脉宽调制（ PWM）的原理及应用 . 10 3.1 脉宽调制（ PWM）的原理 . 10 3.2 PWM 的应用 . 11 3.2.1 PWM 在调速系统中的应用 . 11 3.2.2 PWM 在信号发生器中的应用 . 11 3.3 脉宽调制（ PWM）在本课题中的应用思路 . 12 4 硬件设计 . 13 4.1 基础模块 . 13 4.2 生成 PWM 组件 . 14 4.3 配置生成硬件系统 . 16 4.3.1 创建 Qua

10、rtus工程 . 17 4.3.2 创建 SOPC 系统并添加 IP 组件 . 17 5 软件设计 . 25 5.1 创建 NIOS工程 . 25 5.2 生成工程 . 26 5.3 调 节属性配置 . 26 5.4 下载测试 . 27 6 总结 . 28 6.1 实验测试结果 . 28 6.2 总结语 . 28 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 29 附录 硬件程序和软件 程序 . 31 1 引言 1.1 课题相关简述 PWM 和 LED 在现代的控制领域和电子显示领域有着不可代替的作用。 PWM 是英文 “Pulse Width Modulation” 的缩写，简称脉宽调制，是利

11、用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中 1。 随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 的调制方法：其中最具代表性的就是数字脉冲调制和模拟脉冲调制。其中数字脉冲调制主要是依靠时钟信号 的输入同时用计数器的计数。然后把信号传给储存器，在通过比较器比较，最后输出脉冲宽度调制波 2；而模拟脉冲调制主要是 脉宽 调制器 是一个 比较器 ，它是将控制信号 Uc 与频率一定的锯齿波电压进行比较，产生出脉冲序列 。 LED具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵活、响应 速度快等优点，其应用范围日益广泛，发展前景广阔。 LED 的灰度控制

12、有两种实现途径，电流控制和 PWM 控制，而 PWM控制更加有利于数字控制。高端的 LED 灯控系统需要多个可以控制 PWM的信号，通常我们采用的方法，一般最多能同时提供 16 路 PWM 信号通道。而在 FPGA 中植入软核 SOPC，可由一片 FPGA 提供多个控制信号，还可以实现系统各种状态的切换控制，同时方便各个外设之间的同步调度。 本课题任务是掌握 PWM技术原理，使用 SOPC Builder设计用户自定义组件，实现基于 SOPC的 PWM灯控 LED显示 4。 1.2 本文研究的内容及意义 1.2.1 研究的主要内容 在计算机控制技术、电子技术飞速发展的今天， LED 灯控系统通

13、常被要求能输出多路灰度控制信号，而 PWM 是实现灰度控制的流行方式，基于 SOPC技术的软核设计方案可以方便快捷地实现多通道 PWM 信号输出模块，且只用一块 FPGA 芯片。本课题要求在 SOPC Builder环境下，完成基于 SOPC的 PWM灯控 LED显示实现，其过程是 : 首先设计本课题要用的 PWM文件，并且利用那些文件生成多路的 PWM 组件，其次利用一些必要的规范将其和 Nios II 处 理器软核及其他组件一起载入到系统，在计算机上配置生成所要求的硬件系统的模块，该模块可被添加到一个顶层模块，通过编译最终生成可下载到 FPGA 的配置文件，这种方案不仅硬件配置灵活、而且实

14、现了单片多通道 PWM。所以 能够 用简便的方法（ PWM技术）来控制具有非常重要的意义。 1.2.2 研究该课题的意义 随着科技的飞速发展，现代的单片机， DDS、 FPGA 等代替了传统的模拟电路，从高投入低效率向低投入高效率发展，参数调节的升级不断换代。不管是用哪一种语言，哪种形式实现，设计简单，简洁易懂，能够满足各种环境、跟中场和需求并且具有很强实用性的 PWM 控制 的设计与实现方案一直是我们努力的方向，我们要继续研究其更为优越的 实现方式 。更加满足 PWM 在各个控制领域 的使用。 PWM 即脉宽调制，在具体的调制上，对模拟电路进行控制主要是利用微处理器的数字输出来实现一种非常有

15、效的技术，在测量、通信到功率控制与变换的许多领域中都有着广泛的应用。它的优点主要是全部都是数字形式的，无需进行数模转换。 全文共分 5 章，各章的主要内容如下： 第一章 引言。介绍课题来源，研究 主要内容 及意义。 第 二 章 简单介绍了本设计采用的平台的相关知识， 相关芯片 技术的 运用领域和相关知识 第 三 章 介绍 PWM 的一般计算，以及在本实验中的大致应用。 第四章 主要是硬件设计的实现，以模块为单位分别介绍各个模块实现其功能的原理及过程。 第五章 软件实际的流程和设计的实现，以模块为单位分别介绍各个模块实现其功能的原理及过程。 第六章 系统调试结果和本次设计的成果，及不足之处，需要

16、改进的 地方 。 2 QUARTUS 和 SOPC 的介绍 2.1 QUARTUS II 介绍及开发流程 Quartus是一款方便易用，功能齐全，由 ALTERA 公司自行设计开发的工具软件。这个软件非常适合教 学、科研开发等，是一款非常实用的软件。 Quartus能满足各种特定设计的需要，提供了完整的多平台设计环境，也是一些系统软件的基本设计工具，因而也集成综合了一些开发包的系统模型设计。 Quartus设计工具完全支持一些语言的设计流程，包括 VHDL 等，因为其内部嵌有 VHDL 等对应的逻辑综合组件。作为一个软件，它也可以利用第二方的综合工具。同样，在具备仿真功能的同时也支持第二方的仿

17、真工具。此外， Quartus还可以与别的软件一起合作使用，从而对一些系统进行开发。特别在 FPGA 工业中， Quartus设计软件 提供的脚本环境最易使用而且功能及其强大，因而可以使用在命令行操作等上面。 Quartus软件是 Altera 公司的第四代开发软件，是 MAX+plus的升级版。他提供了一个完整并高效的设计环境，很适合具体的设计要求。 Quartus提供了便捷的设计输入方式、快速的编译和简单易懂的器件编程。能够支持逻辑门数在百万门以上的逻辑器件的开发，并且为第三方工具提供了无缝接口。 基于 VHDL 的 Quartus 开发流程为：如图 2-1 所示，这一流程基本可适用于全部

18、 的基于硬件描述语言的设计。以下是对这一流程中的一些关键步骤进行 简要的说明 5： 系统层次划分 (Hierarchy)。即确定系统由哪些模块构成，各模块又由由哪些子模块构成。 编码（ Coding）。即写出 VHDL 代码。 编译 (Compilation)。编译器会对 VHDL 程序进行语法检查，并提示一些错误信息和内部信息。 功能仿真 (Functional Simulation)。程序通过编译之后，将文件调入波形编辑器进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。 综合 (Synthesis)。这一步一般由综合器自动完成。 适配 (Fitting)。此步骤将产生多项设 计结果：适配报告，包括芯片

19、内部资源的利用情况、设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真模型；器件编程文件。 时序仿真 (Timing Simulation)。在布局布线后获得的精确参数，验证电路的时序 (也称为后仿真 ) 下载到 CPLD/FPGA(Programming)。 图 2-1 基于 VHDL 的 Quartus 开发流程 2.2 SOPC 的 概述 SOPC 英文全称 :System On a Programmable Chip。中文译名：可编程片上系统。 SOPC 它是在一块硅片上用可编程逻辑技术把整个系统 放上去，它主要是被来用于对一些系统的研究和信息的处理。 SOPC 是一种特殊的嵌入式系统，具有灵活的

20、设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。 SOC 的设计需要借助 EAD 工具 ， 以分层次的硬件描述语言为系统功能和结构的主要描述手段。 SOC 从系统整 体 的角度出发，把 一些必要 的设计紧密结合起来，在 为数不多的 芯片上实现整个系统的功能。 它 可以在同样的工艺条件下，实现更高性能的系统指标， 主要是基于 SOC 的 设计能够考虑 到 整个系统的各种情况。可编程的片上系统 SOPC 和 相应的开发工具 Ouartus II 是美 国 Altera 公司于 2000年最早提出的，可编程 SOC 解决方案 中 SOPC 技术是 极为 灵活、高效的，它将 各个 系

21、统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件 中 ， 从而 构成一个可编程的片上系统 6。 SOPC 是基于 FPGA 解决方案的 SOC，其特点有： (1)设计全程包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系统软件设计、直至整个系统地完成，都由计算机进行。 (2)设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专用集成电路的主动设计者。 (3)系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的 ASIC 器件外，还能通过大规模 FPGA 可编程器件来实现。 2.3 FPGA 芯片简介 FPGA 是 Field Programmable Gate Array 的缩写，中文意思是

22、现场可编程逻辑闸阵列，是一个含有可编辑元件的 半导体 设备，可供使用者现场程式化的逻辑闸阵列元件。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把 FPGA 内部的逻辑块连接起来，就 是把所有的电路元件全 部集成到 一个芯片里。 FPGA 的缺点主要是它 无法完成复杂的设计， 比 一般 专用的集成芯片 的速度要慢， 也因为如此，它基本上完成同样的工作需要 消耗更多的电能。但是 在消耗更多的能耗的同时， 他们也有很多的优点比如 它有更好的设计空间，可利用性能大幅度上升，不像一些专用芯片，只能针对一些特定的电路 。 而有些 芯片 只有 有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的 FPGA 上完成的

23、，然后将设计转移到一个类似于ASIC 的芯片上。在一些技术更新比较快的行业， FPGA 几乎是电子系统中的必要部件，因为在大批量供货前，必须迅速抢占市场， 因 此 FPGA 方便灵活的优势就显得很重要 7。 本次设计采用的 FPGA 是 Altera 公司的 cyclone II，虽然是 05 年的产品，现在来讲稍微有点过时，但本次设计的主要宗旨是硬件设计的软件化，起一个抛砖引玉的作用。 Altera 公司开发 Cyclone FPGA 系列是为了满足市场对低功耗、低成本设计的需求，至今为止已经推出了五代 8。 Cyclone 是最初 的低成本FPGA。 2003 年推出，与 Stratix

24、结构类似，是一种低成本 FPGA 系列 ，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。 二代 是 Cyclone 的下一代产品， 2005年开始推出，属于低成本 FPGA，提供硬件乘法器单元，为大批量、低成本应用提供用户需要的各种功能。 三代 于 2007 年推出，采用台积电 (TSMC)的低功耗 (LP)工艺技术制造，以相 当于 ASIC 的价格实现了低功耗。 四代 于 2009 年推出，面向对成本敏感的大批量应用，帮助顾客满足越来越大的带宽需求，同时降低了成本。 五代 FPGA 系列 2011 年推出， 实现了业界最低的系统成本和功耗，其性能水平使得该器件系列成为突出您大批量应用优势的理想

25、选择。与前几代产品相比，它具有高效的逻辑集成功能，提供集成收发器型号，总功耗降低，静态功耗降低 。 2.4 Nios II 简介 Nios II 嵌入式处理器 从一般的意义上来讲 是一种软核 CPU，它是一种面向用户的， 因为它 可以灵活定制通用的 RISC嵌入式 CPU，在 FPGA上实现 ，在 SOPC(可编程片上系统 )集成 ， 在 FPGA 上实现了优化 ，且 以软核的方式提供给用户。它 和普通嵌入式 CPU 系统 的 不同 在于 ：它可以自定制用户逻辑为外设 ，它 的外 设可以灵活选择或者增删， 同时 可以允许用户定制自己的指令集，设计者 还 可以使用Nios II 上外部的 一些

26、外设来构成一个嵌入式系统。 Nios II 软核 CPU 的又一 个优点 是其独特的总线设计， Avalon 总线是 Nios II CPU 内部用于连接 各个 系统组件的， 它 将处理器和 一些 外围设备 全部 集成到 SOPC。它规定了主设备和从设备的端口连接方式和时序关系，并允许多个设备可以共同使用总线，这些外围设备包含 LED、 UART、计时器、并行 I/O 口、 SPI、 DMA、存储器和以太网端口等 9。Nios II 软核处理器具有以下优点： (1)设计 相对 灵活。例如， 各种外设可以灵活的改变应用 。 (2)性价比高 。对于一般的应用而言，用户添加 Nios II 软核几乎不增加成本，而且一块 FPGA 可以在不增加成本的情况下实现多核。 (3)开发迅速 ，可靠性强 。 Altera 对大多数外设开发了相应的驱动程序，使得硬件验证和软件开发的速度加快，缩短产品研发和上市时间、可靠性增强。 2.4.1 Nios II 内核种类 Nios II 有三种类型的内核，其具体分类及特点为： (1) Nios /f 快速型，性能最高，但占用的逻辑资源最多； (2) Nios /e 经济 型，占用的逻辑资源最少，但性能最低； (3) Nios /s 标准型，性能相对较为平衡，其内核比第一代的快，占用的资源更少 4；