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1、第38卷第3期河南师范大学学报(自然科学版)Vol.38No.32010年5月JournalofHenanNormalUniversity(NaturalScience)May.2010文章编号:1000-2367(2010)03-0074-04基于SOPC技术的多通道LED灰度控制模块硬件设计1,21121琚新刚,来清民,李金铭,郭敏,魏红彬(1.河南教育学院电路与系统重点学科,郑州450046;2.郑州大学物理工程学院,郑州450001)摘要:LED灯控系统通常被要求能输出多路灰度控制信号,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
2、快捷地实现多通道PWM信号输出模块,且只用一块FPGA芯片.其过程是:首先利用厂商提供的免费PWM设计文件,生成多路PWM片内外设组件,其次以Avalon总线规范将其和NiosII处理器软核及其他组件一起植入NiosII系统,配置生成硬件系统的原理图模块,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、实现了单片多通道PWM,而且模块外设数量大为精减,集成度很高,鲁棒性好.关键词:可编程单芯片系统;NiosII软核;灰度控制;脉宽调制中图分类号:TP332文献标志码:ALED具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵
3、活、响应速度快等优点,其应用范围日益广泛,发展前景广[1]阔.LED的灰度控制有两种实现途径,电流控制和PWM控制,后者更便于数字控制的实现.高端的LED灯控系统需要多通道PWM灰度控制信号,采用通常的基于MCU或者PWM专用芯片的方法,最多能同时提供16路PWM信号通道.而采用在FPGA中植入硬核或软核的SOPC(可编程单芯片系统)技术,可实现由单片FPGA提供多通道PWM控制信号,还可方便地实现系统各种状态的切换控制,及各个外设之间的同步协调和任务调度.其中,植入硬核的缺点在于使用硬核的系统开发者无法根据系统的实际需求对硬核进行裁剪,造成系统复杂度高;另外,硬
4、核多来自第三方,无法控制其知识产权费用.植入软核的方法基于SOPC技术的软硬件协同设计思想,克服了以上植入硬核时的种种不足.系统开发者使用软核处理器,如NiosII,以及一些通用的IP核,通过Avalon总线规范定制组件,将控制逻辑全部集成至单片FPGA内,精简了外设数量,大大提高了系统的鲁棒性和性价比;同时,系统开发者在软硬件系统的综合与构建方面可以充分发挥自己的创造性和想象力,对系统进行裁剪优化,体现硬件可编程带来的设计灵活性.1系统硬件设计系统采用开放源码的NiosII软核处理器,该款处理器属基于哈佛结构的32位RISC嵌入式处理器,有3种处理器内核)))经
5、济型(NiosII/e)、标准型(NiosII/s)和快速型(NiosII/f),具有超过200DMIP的性能,其生产商Altera提供的开发包含有一套通用外设和接口库,其Avalon交换架构能够进行多路数据同时[2]处理,实现无与伦比的系统吞吐量.设计用于LED灰度控制的PWM模块,关键在于对NiosII软核处理器的合理配置和PWM组件的生成.1.1物理层模块构成模块的组成如图1所示,FPGA芯片选用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240C8,电源芯片选择Murata公司的MPD5S025S,该芯片输出电压可调,同时提供3路1.0V至3.6V直
6、流电压,直接作为FPGA收稿日期:2009-11-17基金项目:河南省重点科技攻关项目(072102230006);河南省教育厅科技攻关项目(2009A510003);郑州市科技攻关项目(0910SGYG21203)作者简介:琚新刚(1973-),男,河南辉县人,河南教育学院讲师,主要从事EDA技术研究.第3期琚新刚等:基于SOPC技术的多通道LED灰度控制模块硬件设计75需要的3.3V,2.5V和1.5V3路电源即可;选用串行EPCS16(FPGA外接配置芯片)保存NiosII的硬件配置数据,其16Mbit的较大容量还可存放系统应用程序代码;外扩2MByteSD
7、RAM芯片)))AS4LC1M16S1;多通道PWM组件和其他组件均集成到FPGA片内.最终PWM信号由指定的多个FPGA[3]引脚输出.整个模块设计简洁紧凑,外形尺寸很小.1.2生成PWM组件PWM在系统中是从外设,受处理器的控制,系统按照Avalon接口规范来设计AvalonSlave信号,CPU对PWM寄存器进行读写操作.组件的任务逻辑和时钟同步,依靠32位计数器决定的PWM周期和占空比范围.由NiosII处理器负责设置PWM周期和占空比(这样组件就需要一个专用的读/写接口的控制逻辑).[4]定义寄存器用以保持PWM周期和占空比.通过使用一个使能控制位,处理
8、器可停止P
