SOPC嵌入式高頻電磁場水處理器設計與實現

崔旭晶，崔秀艷，馬平全

（沈陽理工大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110015）

在工農業生產和民用生活中，廣泛使用著各類給水系統，使用較多的有鍋爐、冷卻水系統、熱交換器、中央空調等。這些設備在使用過程中，普遍存在著結垢、鐵銹腐蝕和藻類滋生等問題，致使設備傳熱效率降低，能耗增加，影響設備正常運行，且存在較大安全隱患，所以必須予以消除。目前除垢方法分為物理和化學兩種方法，高頻電磁場式水處理器就是物理除垢的有效方法之一，它可使管道清潔，不僅無新垢產生，而且老垢也脫落，從而達到保護設備、節能環保的目的，具有顯著的經濟效益。 但其作用機理尚不明確，同時存在著幾種理論，還有待做進一步研究[1]。這里設計了一款SOPC嵌入式的智能高頻電磁場水處理器，它由嵌入式控制系統與高頻阻垢機構成，具有較高的智能化操作和實時監控功能，是高頻電磁除垢設備的新一代產品。

目前可見一些MCU控制的高頻電磁場設計文獻[2-8]，但嵌入式的智能高頻電磁場設計文獻很少見。示。DDS頻率發生模塊根據SOPC控制系統提供的頻率控制數據產生高頻振蕩信號，但此信號幅值較低，需要進一步放大。放大電路由三極管一級推挽放大電路和MOS管二級功率放大電路組成，放大信號經過線圈耦合輸出，最后得到阻垢所需要的大功率高頻振蕩信號。系統電源設計包括內置穩壓電源和外置開關電源兩部分，DDS頻率發生模塊、三極管推挽一級放大電路和SOPC控制系統，由系統內置穩壓電源供電，而MOS管二級放大電路需要大功率電源供電，故采用外置的開關電源供電。SOPC控制系統主要包括：SOPC硬件設備系統集成，觸控屏人機交互界面設計，觸控屏菜單界面顯示，觸摸控制功能實現。

1 高頻水處理器系統總體結構

基于FPGA的SOPC嵌入式高頻阻垢系統框圖如圖1所

圖1 高頻阻垢系統框圖Fig.1 System block diagram of the high frequency scale inhibition

2 SOPC控制系統的硬件設計

2.1 SOPC控制系統結構

嵌入式阻垢控制系統是基于SOPC的系統硬件設計，為了完成復雜的系統控制功能，需要配置完整的系統組件，SOPC控制系統框圖如圖2所示。系統采用AVALON總線傳輸規則，所有設備模塊都經過總線相互訪問[4]。圖中粗實心雙向箭頭線表示模塊間數據傳輸線路，細箭頭線表示部分模塊間訪問權限及規則方式。軟件利用NiosⅡCPU將圖片的色彩RGB數據寫入顯存中，LCD觸摸屏驅動模塊將顯存中數據讀出，在LCD觸摸屏上顯示出來。當有觸摸信號產生時，NiosⅡCPU將LCD觸摸屏驅動模塊中的觸摸信號通過PIO口讀出數值，再通過軟件執行觸摸后的功能。同時，軟件通過NiosⅡCPU將控制信號送給高頻阻垢機電路，其控制信號要通過PIO口對應的FPGA引腳對高頻阻垢機進行控制，而高頻阻垢機又將其設備運行狀態及頻率值送回控制電路中，經過NiosⅡCPU將其讀出并顯示在LCD觸摸屏上。圖中DDR2 SDRAM作為CPU數據交換內存，FLASH作為存儲軟件程序使用，SRAM作為CPU中斷及異常使用，其訪問規則為固定形式，圖中沒有列出[5]。

圖2 SOPC控制系統框圖Fig.2 SOPC control system block diagram

2.2 SOPC控制系統的硬件設計及實現

1）創建系統模塊

創建QuartusⅡ9.1工程時，需要確定FPGA目標器件，選擇Altera公司的EP3C40F484C6芯片，然后配置SOPC Builder組件，最后生成系統CPU。配置的主要SOPC系統組件和時鐘列表如圖3所示，包括NiosⅡCPU、JTAG UART、DDR2控制器、CFI控制器、LCD顯示驅動及觸摸控制IP核、定時器、鎖相環和PIO并行輸入/輸出等[6-8]。

圖3 SOPC系統組件Fig.3 SOPC system components

2）集成系統CPU到QuartusⅡ9.1工程

創建包含系統CPU的QuartusⅡ9.1頂層模塊，共分成5部分：時鐘clk、觸摸屏顯示與觸摸驅動、DDR2控制器、SRAM與Flash控制器、PIO輸入輸出控制器。使用Tcl script File工具，進行FPGA引腳分配及有關設置，然后編譯QuartusⅡ9.1工程并下載。在成功編譯硬件系統后，將產生SOPC.sof的FPGA配置文件輸出，通過ByteBlasterⅡ下載線，連接PC機與目標板進行下載實現。下載到FPGA芯片中的工程，將FPGA編輯成一個帶有固定外設的微機系統，此系統可為軟件提供一個合適的運行環境，以實現相應的軟件功能。

3 觸控屏操作界面設計與軟件調試

3.1 觸控屏操作界面設計

觸控屏操作界面包括4個：用戶幫助界面、環境狀態輸入界面、鍵盤輸入界面和功能控制界面，依次如圖4所示。這些圖片采用windows自帶的畫圖板工具來制作，根據系統要求，設備顯示分辨率為800×480，所以圖片制作的像素也應該為800×480，每個界面都要制作同樣大小的圖片。這些界面圖片的顯示與操作，需采用C語言編程并與SOPC Builder組件相結合來實現，各界面操作如下：

圖4 觸控屏操作界面Fig.4 Touch screen operator interface

將開發板（ALTERA公司的EP3C40?FPGA開發套件V6工作平臺）上電，載入硬件配置并運行軟件，系統開始工作，出現“用戶幫助界面”，觸摸該界面進入“環境狀態輸入界面”，再觸摸此界面進入“鍵盤輸入界面”。在鍵盤界面中，選擇要輸入的數字，再選擇Enter鍵，完成當前項的環境狀態值輸入，以后各項環境狀態值的輸入同上。輸入完所有項后，觸摸OK進入最后一個界面，即“功能控制菜單”界面。在最后界面中，當需要重新設定環境狀態值時，選擇“環境狀態設定”，可返回到“環境狀態設定菜單”界面進行重新設定。在最后界面的下方為“當前水處理設備功放運行狀態”顯示區，紅色表示未運行，綠色表示運行。

3.2 觸控屏軟件設計及調試

1）基于32位avalon總線傳輸RGB數據流設計

由畫圖板制作的圖片要在觸摸屏上顯示出來，需要將圖片數據生成圖片RGB數據，再將RGB數據通過總線傳輸到顯存當中，以實現顯存數據的讀寫操作。這需要符合總線傳輸的數據傳輸規則，在軟件中就是要實現Avalon總線地址對齊，即本地地址對齊與動態地址對齊。

首先把圖片數據轉換成BGR數組數據，使用軟件Image2Lcd可以實現轉換。再將BGR數組數據由CPU寫入顯存，也就是主端口為32位的CPU訪問從端口為16位的DDR2存儲器，由于寫入的數據為大量連續數據，所以采用動態地址對齊。由于LCD顯示驅動讀取顯存使用RGB數組數據，所以還要把BGR數組數據重新排列成RGB數組數據，此處由于處理數據量過大，采用C程序對整個數組重新排列組合。最后將8位RGB數組數據變換成32位符合動態地址對齊的數組數據。

2）圖片顯示與界面載入實現

軟件在實現CPU對顯存DDR2讀寫時，需要使用NiosⅡIDE特有的API函數。API函數實現寫顯存的操作為IOWR_32DIRECT（BASE，OFFSET，data），實現讀顯存的操作為IORD_32DIRECT（BASE，OFFSET）。由于寫顯存需要進行連續大量的數據寫操作，所以使用動態地址對齊，每次數據讀寫都要按照動態地址對齊規則來操作。

由于CPU寫顯存與LCD物理驅動讀顯存使用的信道都是總線，當兩者同時訪問顯存時會出現總線占用。解決如下：在LCD物理驅動中設置顯示信號寄存器，當軟件向顯存中寫入的一屏數據完成時，軟件會向顯示信號寄存器寫入顯示命令，指示顯示驅動工作。由于此時是單次數據的讀寫，所以采用本地地址對齊完成寫操作。

用戶幫助界面的載入流程圖如圖5所示，此圖表示具體顯示功能實現的原理。當需要顯示界面時，CPU會在短時間內，向顯存所在地址連續寫入大量RGB數據，此數據寫滿一屏時，CPU終止向顯存寫入數據，轉而向顯示驅動發送，包括顯存起始地址、顯存地址范圍、使能信號、顯示開始信號等，使顯示驅動工作，然后CPU進入觸摸信號檢測來執行下一項操作。其他各界面的顯示原理與用戶幫助界面顯示原理相同。

圖5 用戶幫助界面的載入流程圖Fig.5 User help interface loaded flowchart

3）觸摸控制功能實現

設計中需要通過觸摸來實現控制功能。當觸摸屏幕時，觸摸屏會向系統PIO口反饋一個觸摸有效值，此值會和觸摸時間同步，系統通過讀取當前PIO口值，來確定是否執行當前功能。

4）NiosⅡIDE9.1軟件調試及下載

運行NiosⅡIDE軟件，在新建工程中，添加QuartusⅡ9.1硬件系統工程所在目錄的ptf文件，選擇Hello world作為模版，完成軟件工程的創建，再配置工程的系統屬性，將軟件代碼替換工程中的hello world代碼，編譯程序，然后在線運行當前程序，驗證其功能，最后下載系統到Flash，保證系統關電后，開機時Flash自動將配置信息讀出送給EPCS，使器件脫機工作[9]。

4 系統聯調

整個系統由高頻阻垢機和SOPC控制系統（帶彩色觸摸屏的開發板）組成，如圖6所示。

圖6 系統聯調Fig.6 System debugging

前者主要產生阻垢所需要的大功率、高頻、正弦波振蕩信號，后者主要實現阻垢系統工作時的實時監控，由彩色觸摸屏提供顯示，主要包括：環境狀態輸入界面，如：使用壓力、水溫、工作頻率、功放數目、環境溫度及濕度等；功能控制界面，如：頻率選擇、功率選擇、參數設定等；還有用戶幫助界面、鍵盤輸入界面等。系統聯調時，將兩個系統連接在一起，在硬軟件的協同工作下，可以看到高頻振蕩波形，其最佳工作頻率為5 MHz、6 MHz，在觸摸屏上能夠顯示各界面的實時監控情況，經過調試和運行，達到阻垢所需要的功能及效果。

經過調試運行和實際使用，高頻水處理器可達到的技術指標為：使用壓力10～16 kgf/cm2，每通道輸出功率100 W（共4通道），可調頻率范圍0～10 MHz，中心頻率5 MHz、6 MHz（最佳工作頻率），正弦波輸出電壓70～90 V，電源電壓220 V/380 V（50 Hz/60 HZ），進出水口直徑不限，水流量、硬度不限，工作溫度≤200℃，環境溫度≤50℃，相對濕度＜90%，阻垢率≥95%。

5 結 論

高頻電磁場水處理器集防垢、除垢、緩蝕、殺菌等多種功能于一體，應用范圍廣，功效顯著。采用SOPC嵌入式技術開發的智能高頻電磁場水處理器，具有功能強大、實時監控、操作簡單便捷、易于觀察、反饋信息量大等特點，是新一代科技含量較高的阻垢水處理產品。

[1]李海燕，蔣永鋒，包曄峰.高頻電磁在水處理中阻垢作用[J].新技術新工藝，2010（4）：56－57.LI Hai-yan，JIANG Yong-feng，BAO Hua-feng.The antiscales actions of high frequency electro magnetic filed in water treatment[J].New Technology and New Process，2010（4）：56－57.

[2]熊蘭，席朝輝，葉曉杰，等.大功率高頻電磁阻垢系統的設計及實驗研究[J].工業水處理，2011，31（6）：46－48.XIONG Lan，XI Zhao-hui，YE Xiao-jie，et al.Design and experimental research of high-power and high-frequency elec-tromagnetic scale inhibition system[J].Industrial Water Treatment，2011，31（6）：46－48.

[3]李國芳.熱電廠高頻電磁水處理優化控制策略研究[D].上海：上海交通大學，2011：15－30.

[4]Corporation A.Avalon Interface Specifications Version1.3[EB/OL].[2010－08－01].http//：www.altera.com.cn/literature/manual/mnl_avalon_spec.pdf.

[5]王剛，張瀲.基于FPGA的SOPC嵌入式系統設計與典型實例[M].北京：電子工業出版社，2009：132－142.

[6]Altera Corporation.SOPCBuilderUserGuideVersion1.0[EB/OL].[2010－12－01].http//：www.altera.com.cn/literature/ug/ug_sopc_builder.pdf.

[7]Corporation A.Embedded Peripherals IP User Guide[EB/OL].[2010－12－01]. http//：www. altera.com.cn/literature/ug/ug_embedded_ip.pdf.

[8]崔旭晶，馬平全.基于SOPC的觸控屏控制器IP核設計與實現[J].電子設計工程，2012，20（14）：166－169.CUI Xu-jing，MA Ping-quan.Design and implementation of the IP core used for a touch panel controller based on SOPC[J].Electronic Design Engineering，2012，20（14）：166－169.

[9]Corp A.NiosⅡSoftware Developer，s Handbook[DB/OL].（2007）.http//：www.altera.com.cn.