基于fpga自适应pid控制器的nios系统设计毕业论文

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1、西安工业大学毕业设计(论文)基于FPGA自适应PID控制器的NIOS系统设计毕业论文1绪论1.1前言由于AD采集，PID控制，DA输出及双口RAM等功能模块计算要求速度较快，用C语言无法达到其运算速度，这是就需要采用硬件编程方法来实现，如VHDL硬件语言等，同时RAM或单片机都无法实现此高速处理，所以FPGA的应用成为必然，因为其运算速度可达纳秒级,其中处理系统NIOS是采用流水线技术和哈弗结构的通用RISC(RefinedInstructionSetComputer,精简指令计算机)[10]处理器，本设计在FPGA的实现基础上完成NIOS系统的控制

2、结构设计。1.2FPGA的现状及应用领域可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice,PLD）)是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但过于简单的结构也只能完成规模较小的电路。可擦除的EPLD(ErasableProgrammableLogicDevice，可编程逻辑器件)的基本逻辑结构是宏单元，由可编程的与或阵列、可编程寄存器和可编程I/O三部分组成。由于EPLD特有的宏单元结构、大量增加的输出宏单元数和大的与阵列，使一块芯片

3、内能够更灵活地实现较多的逻辑功能。20世纪80年代中期Altera和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD(ComplexprogrammableLogicDevice)和与标准门阵列类似的FPGA，都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可以实现较大规模的电路，编程灵活，与门阵列等其它ASIC相比，又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进等优点，因此被广泛地用于产品的原型设计和产品生产之中。FPGA趋势发展包括四个方面:(1)大容量、低电压、低功耗FPGA;

4、(2)系统级高密度58西安工业大学毕业设计(论文)FPGA;(3)FPGA出现与ASIC相互融合;(4)动态可重构FPGA。其应用领域相当广泛。在数据采集领域，FPGA主要用于高速数据采集系统；在信号处理方面，FPGA主要应用于视频采集压缩、高阶高速FIR滤波器、雷达图像采集等;在医疗领域，FPGA在医疗设备如心电检测设备、超声设备和电子内窥镜中都有应用;在无线领域，FPGA技术已应用于TETRA无线终端;在控制领域，FPGA已应用于微型攀爬机器人、直流电机调速控制器和工业运动控制器;或者将将FPGA技术与DSP技术相结合，充分利用DSP的适合于数字

5、运算的特点和FPGA高集成度，实现对高速信号的实时采样和实时视频处理。FPGA在SOC/SOPC出现了新的应用。SOC是SystemonChip的简称，称作“系统集成芯片”，其中包含完整系统并有嵌入式软件的全部内容。SOPC是SystemonProgrammableChiP，即可编程片上系统，是基于FPGA的SOC策略。相比于SOC设计，SOPC既有嵌入的处理器、支持电路，也有PLD;嵌入的处理器可以是软核，也可以是硬核;用户根据应用选择配置处理器和各种I/O模块，还可以在系统中加入拥护自定义的逻辑模块，构建定制的系统。1.3NIOS系统NIOS系统

6、是采用流水线技术和哈弗结构的通用RISC(RefinedInstructionSetComputer,精简指令计算机)处理器，一个NIOS处理器系统由NIOSCPU和一系列的外设组成。NIOSCPU，片内外设，片内存储器和片外外设的接口都在Altera公司的芯片上实现，相当于在单片上实现一台计算机或微控制器。所有的NIOS处理器系统使用统一的指令和编程方式。由于FPGA是可编程的，在FPGA上实现NIOS处理器可以根据设计者的需要对特性进行裁剪，使其符合性能和成本的要求。NIOS系统处理器系统的外设配置具有很大的灵活性，设计者可以根据实际需求来添加必

7、要的外设，这是NIOS系统与其他固化的微处理器之间最显著的区别。NIOS处理器是一种软核，它描述的并不是硬件实现，而是对一个指令的支持。NIOS处理器构架包括下列功能单元：寄存器文件，ALU,自定制指令逻辑接口，异常控制器，中断控制器，指令总线，数据总线，指令高速缓存和数据高速缓存，指令和数据的紧耦合存储器接口，JTAG调试模块。1.4自适应PID控制器及其发展状况过程控制中应用最广范的控制和策略是PID控制.PID控制技术的发展可以分为两大阶段.第一阶段为发明阶段(1900-1940),PID控制思想开工始变明确,此时主要采用气动控制,仪表工业的重

8、心放到实际PID控制器的结构上.第二阶段为革新阶段（1940以后）PID控制器已经发展成为一种可靠的易于应用