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基于NIOSⅡ的便携式超声波流量计测控模块设计

作　者: 任晓琨
导　师: 赵辉
学　校: 电子科技大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 便携式超声波流量计 FPGA嵌入式 NIOSⅡ SOPC 多处理器系统
分类号: TP274.53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本课题是基于FPGA嵌入式技术来进行便携式超声波流量计的测控模块研发,其中核心部件是Altera公司推出的32位软核CPU NIOS II。利用软核CPU灵活定制,性能强大,能够构建片上系统,支持多处理器系统等优点,来达到降低成本,减小体积,提高性能的设计目的。同时本系统还具有普通超声波流量计非接触式测量,测量精确可靠,无压力损失等传统优点,因此具有广泛的应用前景。本课题设计的便携式超声波流量计采用时差法的测量原理,主要用来进行气体或者液体的流速测量。为了提高测量精度,采用双通道对发对收来测量流速,对测量数据采用加权算法进行处理,并且可通过定制的液晶屏实时显示出瞬时流量和累计流量的数据。本文首先介绍了时差法测量的基本原理和系统的整体设计思路,然后完成SOPC外围所需硬件电路的搭建。其中,本课题采用EP2C8Q208芯片来作为系统的核心部件,在芯片上构建SOPC系统来实现整个系统的控制和数据处理。本系统SOPC包括两个软核CPU,其中CPU1负责超声波信号的收发控制,CPU2负责计时数据处理和显示,两个软核CPU通过互斥核MUTEX来实现对系统共用资源的占用。通过NIOS IDE编写两个软核CPU的程序,按照通用流程完成程序代码的编写调试。最后将SOPC系统和计时模块都添加到一个工程文件中,进行系统编译。根据编译信息,计算SDRAM时钟相移并对工程设计进行优化,尤其是对时序的优化,保证满足各个接口的建立和保持时间。最后通过USB BLASTER下载线将工程下载到EPCS配置芯片中,实现系统的上电自动运行。设计完成后,通过现场测试数据进行分析后,确定了系统的测量范围。在系统的测量范围内,系统工作稳定,测量精度很高,线性度保持很好,基本上达到了国内生产厂商的主流标准。至此,本课题设计全部完成。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 引言  10-16
  1.1 FPGA嵌入式软核NIOSⅡ简介  10-11
  1.2 便携式超声波流量计简介以及国内外发展现状  11-12
  1.3 本课题创新之处  12-13
  1.4 项目设计要求以及指标  13
  1.5 本课题主要研究内容  13-15
  1.6 小结  15-16
第二章 便携式超声波流量计测量原理以及系统整体框架设计  16-20
  2.1 时差法测量原理分析  16-18
  2.2 系统整体框架设计  18-19
  2.3 小结  19-20
第三章 FPGA 外围电路搭建以及计时模块设计  20-36
  3.1 FPGA 外围电路搭建  20-28
    3.1.1 FPGA 简介  20-21
    3.1.2 开发工具 Quartus Ⅱ 简介  21-22
    3.1.3 FPGA 设计流程  22-23
    3.1.4 FPGA 外围电路元件  23-28
  3.2 FPGA 用户自定义模块设计  28-35
    3.2.1 FPGA 自定义逻辑模块整体框架  28-29
    3.2.2 FPGA 自定义逻辑子模块设计  29-33
    3.2.3 系统的编译综合  33-34
    3.2.4 计时系统的仿真  34-35
  3.3 小结  35-36
第四章 测控模块 SOPC 系统硬件设计  36-59
  4.1 SOPC 硬件开发环境及设计流程  36-37
    4.1.1 硬件开发环境  36
    4.1.2 SOPC 设计开发流程  36-37
  4.2 SOPC 系统的硬件搭建  37-52
    4.2.1 NIOS Ⅱ 嵌入式软核处理器  37-41
    4.2.2 SDRAM 控制器  41-45
    4.2.3 EPCS 控制器  45-46
    4.2.4 PIO 控制器  46-47
    4.2.5 定时器控制器  47-49
    4.2.6 UART 核  49-51
    4.2.7 Mutex 核  51-52
  4.3 双核共享资源设定  52-54
  4.4 计时数据共享  54-55
  4.5 SOPC 系统整体连接  55-58
  4.6 小结  58-59
第五章 测控模块 SOPC 系统软件设计  59-78
  5.1 软件开发环境  59
  5.2 软核CPU1 的程序编写  59-68
    5.2.1 系统初始化子程序  62
    5.2.2 超声波探头驱动子程序  62
    5.2.3 单次测量传输时间子程序  62-64
    5.2.4 自动增益控制子程序  64
    5.2.5 多次测量子程序  64-66
    5.2.6 接收 FPGA 计时数据子程序  66-68
  5.3 软核CPU2 的程序编写  68-75
    5.3.1 液晶屏初始化  68-70
    5.3.2 流量计算  70-72
    5.3.3 液晶屏显示格式转化  72-73
    5.3.4 液晶屏写地址写数据  73-75
  5.4 系统整体优化  75-77
  5.5 小结  77-78
第六章 测试数据分析及结论  78-84
  6.1 测试结果及分析  78-83
  6.2 小结  83-84
第七章 总结与展望  84-85
致谢  85-86
参考文献  86-88
攻读硕士期间取得的研究成果  88-89

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 采用各种新技术的自动检测系统 > 超声波检测及其设备
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