基于Nios II的過程控制實驗裝置研究

　　由于傳感器的輸出電壓變化都是在毫伏級，因此必須由穩定的放大和濾波電路將采集信號進行放大和修正，達到可以滿足數據傳輸的電平要求和線性要求。經過放大的信號送入A/D轉換芯片中，將模擬信號轉換成數字信號后再由單片機送入NiosⅡ中。

　　旋風筒模擬工作時，分別由傳感器將溫度、風機轉速、氣壓、氣體流量等參數值進行采集。溫度采用高精度的鉑熱敏電阻測量。氣壓和空氣流量采用由Honeywell公司生產的專用檢測傳感器進行測量。風機轉速通過單片機對光電開關開合產生的脈沖進行計數從而予以確定。傳感器將采集的信號通過放大修正單元的處理后直接送給單片機。四路信號采用同時采集，分時傳送的方式發送給上位機。在NiosⅡ對第一路送入的數據開始進行顯示處理，同時將第二路數據送入。

　　3.3 通信單元

　　采用串口多機通信的方式。在多路數據傳送方法上，可以選擇485通信的方式。多路下位機同時掛在485的通信輸出端，分時的傳送數據。但是這種方式如果有傳送速度上的要求則有很大的弊端，傳送速度會比較慢。本系統充分發揮CycloneⅡ處理器可以定制多個UART的強大功能，實現上位機對多路數據的同時接收和處理。在速度上要比485的方式要快。從而實現對模擬環境的迅速監控。下位機采用AT89S52系列單片機，同樣支持串行通信。由于通信距離比較近，為了避免資源的浪費，不建議采用RS232或485的串行通信方式。在今后的系統擴展上可以將232通信添加進去。

　　檢測和通信單元的系統軟件設計流程如圖3

　　4. 軟件設計

　　4.1 基于Nios IDE的軟件設計

　　由SOPC Builder構建成的硬件系統首先必須下載到FPGA中，在FPGA上生成對應外設的引腳，然后才能夠通過IDE燒程序給外設，使外設可以正常的運行。也就是說對主程序部分必須要在IDE模式下進行調試，這是整個過程中感覺效率比較低的地方，每次修改的程序都必須通過再次運行Run As Hardware重新編譯才能寫入硬件中，造成調試進度很慢。程序可以在SRAM或SDRAM上運行。

　　為了保證斷電后數據不丟失，采用FLASH Programmer把數據寫入FLASH，然后把CPU的ResetAddress地址指向FLASH。通電后系統會自動對FPGA進行配置，并運行內部程序。該部分的程序主要是設置多個串口通信的時序以及VGA顯示的內容。程序流程圖如圖4所示。

　　5. 結果分析

　　經過檢測和調試，系統的整體功能完全可以正常實現。系統采用Nios軟核結合可編程邏輯陣列對旋風預熱器的仿真模型的模擬工作狀態進行檢測和控制。實現了多線程的串口通信和VGA的顯示，充分發揮了FPGA快速響應的實用性特點和支持CPU操作的強大功能。使用SOPC Builder可以方便的對系統的擴展部分和自定義部分進行添加和刪除，根據需要開發自己的IP核優化系統。充分利用SOPC的特點來縮短設計和開發周期。

　　利用SOPC Builder配置了四個串口來完成這一要求，而這一特殊用法卻是其它處理器如單片機，ARAM等無法實現的。