基于NiosⅡ的高低温实验箱温度控制设计

摘要：本文以FPGA的NiosⅡ为平台实现高低温试验箱的温度控制。主要采用NiosⅡ嵌入式处理器和比例、积分、微分控制算法（PID），以及PLL等技术，设计出高精度、高可靠性、可灵活编程升级和系统稳定的控制系统。

关键词：FPGA；温控；NiosⅡ；PID

中图分类号：TH789文献标识码：A文章编号：1007-9599 （2011） 06-0000-01

Temperature Control Design of High and Low Temperature Test Box Based on NiosⅡ

Lin Hui,Liu Xianqiang,Yu Lingfeng

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science&Technology,Chengdu610054,China)

Abstract:This paper provides a temperature control method for high-low test box based on the FPGA of NiosⅡ platform.This system who is high accuracy,high reliability,flexible programming,easy upgrades and stability,is mainly designed by using NiosⅡembedded processor,PID and PLL technology.

Keywords:FPGA;Temperature control;NiosⅡ;PID

高低温试验箱常用于工业产品高、低温的可靠性试验，也是军品必备的常规实验平台。但国内的高低温试验箱有价格昂贵，尤其是高精度控制的试验箱更是价格不菲，而且稳定性差等缺点。为了克服这些缺陷，本设计使用了Altera公司的CycloneⅡ的EP2C35系列器件作为硬件开发平台，对温控系统采用增量式数字PID控制算法进行处理，提高了运算速度和回路的调节时间，从而提高高低温实验箱的精度和实时性。

一、系统整体设计

系统的整体设计主要包括两部分：硬件部分和软件部分。硬件部分主要是由键盘、LCD、AD、输出电路、传感器和电源模块组成。软件部分主要是实现PLL分频、PID算法以及PWM波形的产生等。如下图1所示。

（一）系统硬件的设计

选用Altera公司的EP2C35系列器件作为开发核心器件，采用SOPC技术通过在FPGA中植入嵌入式系统处理器NiosⅡ作为核心控制电路，利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP软核来构成该嵌入式系统处理器的用户接口模块，借助于Avalon总线，实现对键盘的输入、SDRAM的程序运行、Flash的程序存储、LCD的显示和AD转换器反馈信号的采集等硬件的控制，从而实现温度的调节和设定。

（二）系统软件的设计

软件部分主要是利用FPGA的可编程能力实现对温度调节中采集到的信号进行处理。

1.PID算法的实现

本设计采用增量式数字PID控制算法，其算法流程图如下图2所示。

其中，R（k）为给定值，C（k）为实际输出值，E（k）为控制器PID的输入，在实际编程时 可预先算出，存入预先固定的单元，设初值E（k-1）和E（k-2）为0。

2.PWM波形的实现

PWM是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，基于FPGA实现的PWM控制器具有结构简单、控制精度高、开关频率可调、接口简单、响应速度快、可现场编程等特点。其主要的Verilog程序如下：

always@（poscdge clk8s or posedge clk30ms）begin

if（clk8s）count

elsecount

end

assign pwm_out=（count

3.PLL分频

在SOPC Builder中设计一个NiosⅡ软核，处理器的频率设定为100MHz，而系统的晶振频率为50MHz，所以这里需要一个PLL倍频作用来满足NiosⅡ软核对频率的需要，并为SDROM提供100MHz的时钟，还为NiosⅡ和PWM等提供定时采样信号所需的时钟。PLL的设计使用QuartusⅡ软件自带的LPM来直接实现

二、结束语

本设计通过对NiosⅡ的软硬件调试以及板级仿真，实现了对温度的精确、实时控制，满足设计的初期要求，具有较强的实用性。

参考文献：

[1]翟尧杰.嵌入式PID神经网络调节器的研究[D].广东:广州大学,2010

[2]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005

[作者简介]林辉（1982-），海南海口人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：数字电路设计与应用；刘显强（1986-），四川泸州人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：嵌入式系统。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文