用FPGA實現多路PWM輸出的接口設計與仿真

0 引言

　　在許多嵌入式系統的實際應用中，需要擴展FPGA(現場可編程門陣列)模塊，將CPU實現有困難或實現效率低的部分用FPGA實現，如數字信號處理、硬件數字濾波器、各種算法等，或者利用FPGA來擴展I／O接口，如實現多路PWM(脈寬調制)輸出、實現PCI接口擴展等。通過合理的系統軟硬件功能劃分，結合優秀高效的FPGA設計，整個嵌入式系統的效率和功能可以得到最大限度的提高。

　　在電機控制等許多應用場合，需要產生多路頻率和脈沖寬度可調的PWM波形。本文用Altera公司FPGA產品開發工具QuartusⅡ，設計了6路PWM輸出接口，并下載到FPGA，實現與CPU的協同工作。

1 FPGA概述

　　PLD(可編程邏輯器件)可分為SPLD(簡單可編程邏輯器件)，CPLD(復雜可編程邏輯器件)和FPGA，其實它們只是在起初有一些差別，現在的區別已經比較模糊了，PLD可統稱為FPGA。目前世界上有十幾家生產CPLD／FPGA的公司，知名度較大的有Altera，Xil-inx，Lattice，Actel等，其中Altera和Xilinx占有了60%以上的市場份額。

　　Altera公司是最大PLD供應商之一，20世紀90年代以后發展很快。主要產品有：MAX3000／7000、FLEX10K、APEX20K、ACEX1K、StratiX、Cyclone等。開發軟件為MaxplusⅡ和QuartusⅡ。普遍認為其開發工具MaxplusⅡ和QuartusⅡ是最成功的FPGA開發平臺之一，配合使用Altera公司提供的免費OEM HDL綜合工具可以達到較高的效率。

　　對于系統設計人員來說，FPGA是一種可以自己編程的芯片。它從芯片制造廠商那里出來時是內部沒有連線的。用戶可以進行設計輸人(電路圖輸入、狀態機輸入或者HDL輸入)；然后進行仿真和驗證；接著用一些專用軟件(如Synopsys FPGA-Compiler、Synplici-ty Synplify、Examplar Leonardo等)進行邏輯綜合；最后使用各個FPGA廠商自身的后端實現的軟件(如Al-tera Quartus、Xilinx ISE等)進行布局布線，生成一個配置所需設計的電路連線關系的二進制流文件，通過一根連接PC機和FPGA芯片的下載線，將配置文件下載到芯片中。

　　本文以使用QuartusⅡ軟件設計PWM為例，介紹FPGA設計的流程，它包括設計輸入、約束輸入、邏輯綜合、邏輯驗證(綜合后仿真)、布局布線(器件實現)和器件驗證(版圖后仿真)等幾部分。

2 多路PWM的設計實現

　　PWM技術最初是在無線電技術中用于信號的調制，后來在電機調速中得到了很好的應用。在直流伺服控制系統中，通過專用集成芯片或中小規模數字集成電路構成的傳統PWM控制電路往往存在電路設計復雜、體積大、抗干擾能力差以及設計困難、設計周期長等缺點，因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發展趨勢。它不僅可以使系統體積減小、重量減輕且功耗降低，同時可使系統的可靠性大大提高。隨著電子技術的發展，特別是ASIC(專用集成電路)設計技術的日趨完善，數字化的EDA(電子設計自動化)工具給電子設計帶來了巨大變革，在電機控制等許多應用場合，需要產生多路頻率和脈沖寬度可調的PWM波形，這可通過FPGA豐富的硬件資源和可以配置I／O引腳來實現。嵌入式系統中FPGA的應用設計關鍵是系統軟硬件功能的劃分。

　　圖1是實現的3路PWM硬件結構框圖。CPU通過數據線向FPGA寫入定時常數控制PWM的頻率、初始相位和占空比，并通過外部啟動信號控制PWM的啟動。

　　根據圖1，寫出實現相應功能的Verilog程序描述。部分源程序如下：