基于FPGA的機載PWM信號轉換器仿真與實現

王爾申，陳士英，石劍民

（1.沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽110136；2.內蒙古自治區大氣探測技術保障中心，內蒙古 呼和浩特010051）

0 引 言

航空電子系統作為無人機 （UAV）重要的組成部分，負責無人機的安全飛行、完成預定任務。隨著電子技術、計算機、信號處理以及微電子系統 （MEMS）等技術的飛速發展以及無人機技術的不斷發展，無人機航電系統正朝著智能化、模塊化、綜合化和高性能化的方向發展［1－3］。在航空電子系統中，無人機飛行控制系統是整個航電系統的核心單元，由傳感器、飛控計算機和舵機等模塊構成。飛控計算機一般通過串口、ADC模數轉換器等獲取GPS導航信息、三軸陀螺和加速度計等傳感器信號，并常采用PWM信號方式控制舵機等執行機構［4－6］。

無人機飛控系統在應用到無人機中之前，需要進行閉環半物理仿真。在利用仿真機解算飛機數學模型仿真飛機的運動過程中，對機載軟硬件和控制律進行全面的驗證和評估。在進行半物理仿真中，仿真計算機需要在規定的時間內完成舵機控制PWM信號的采集，對脈寬信號測量精度和速度提出了較高要求，傳統的脈寬信號測量有的利用高速ADC采集，有的使用單片機或者DSP進行測量，這些方法微控制器占用率高［7］。

本文提出了一種基于FPGA的PWM信號轉換器的設計方法，利用FPGA并行處理能力強的優勢測量PWM信號［8－10］，在仿真成功后進行實驗測試，實測結果表明該方法具有測量精度高、處理測量數據速度快等特點，本文研究的PWM信號處理方法適用于飛控系統閉環半物理仿真系統和其他需要對PWM信號進行轉換的應用。

1 PWM信號轉換器設計方法

為了便于說明，設計中舵機控制脈寬信號的周期為20ms，脈沖寬度較窄為1.0ms～2.0ms，隨著PWM輸入信號1.0ms～2.0ms的脈沖寬度的變化線性輸出0.0～10.0V模擬電壓，PWM輸入信號的脈沖寬度≤1.0ms時，輸出0.0V電壓，PWM輸出信號的脈沖寬度≥2.0ms時，輸出10.0V電壓。針對上述的設計要求，通過分析可知，整個PWM信號有1ms的寬度不需要測量，只需對變化的1.0ms～2.0ms進行采樣測量，得出高電平持續的時間。因此，設計中用256KHz的脈沖進行采樣，在PWM脈寬信號為高電平時作為計數開始的使能信號，對高電平計數，在脈寬信號的脈沖下跳沿時停止計數，在PWM脈寬信號低電平期間進行數據處理，就可以得到一個8位的測量數據。然后，對測量數據根據量化值進行處理。對這個8位數據進行處理后可以為控制輸入驅動無人機模型，也可進行顯示輸出，還可以直接連接D／A數模轉換器輸出模擬量。

2 基于FPGA的PWM信號轉換器設計

設計采用的是Altera的EP3C160240C8N芯片，其屬于cyclone III系列，該芯片共有240個管腳，其內部有15000多個邏輯單元，并且包含一個16位的乘法器，其處理速度較快，性能較強，而且成本較低，性價比較高，滿足本設計的需要。圖1為利用FPGA設計的PWM信號轉換器電路模塊總體連接框圖。從圖1中可以看出，整個PWM信號轉換器由PWM信號測量模塊、測量數據轉換模塊、D／A控制模塊和數據顯示處理模塊構成。其中，PWM信號測量模塊主要是對被測輸入信號進行檢測、測量，進而獲得PWM信號高電平持續的時間；測量數據轉換模塊主要完成符合顯示要求的數據格式；D／A控制模塊主要實現與DAC0808的接口控制；數據顯示模塊主要完成與LCD的接口時序控制，將測量結果顯示在LCD上。

圖1中PIN＿31端子所連接的是一個50MHz的晶振，可以通過計數器分頻得到設計中所需要的時鐘信號頻率。PIN＿6所連接的復位控制按鍵。設計中所需要檢測的PWM脈寬信號從FPGA開發版PIN＿127管腳輸入FPGA芯片中。檢測測量部分在PWM＿detect模塊中完成，并輸出一個8位寬的二進制數碼，輸出的數碼可以作為控制輸入驅動無人機模型，可以輸出到DAC0808模塊進行數模轉換，也可以提供給convert模塊進行處理以便于能夠在液晶上顯示輸出結果。Convert模塊將PWM＿detect模塊輸出的數據進行處理得到4個ASCII值。這4個ASCII值通過圖1中的LCD＿1602模塊進行顯示輸出前的處理，進而提供給LCD1602液晶模塊。

2.1 PWM脈寬信號檢測模塊

圖1 PWM信號轉換器電路模塊連接框架

PWM脈寬信號檢測模塊先將Altera開發板上的50MHz晶振信號進行分頻，得到256KHz的PWM脈寬信號檢測時鐘信號，然后對輸入周期為20ms的PWM脈寬信號進行檢測。為了減小測量誤差，設計中在PWM脈寬信號的上升沿到來時進行檢測。因此，PWM脈寬信號上升沿到來時將產生一個使能信號，將其作為整個測量系統內部的啟動信號，對PWM脈寬信號的高電平進行計數。每當頻率為256KHz的采樣信號來一個上升沿時數據變化一次，并且判斷計數是否停止。計數停止后對數據進行判斷，濾去對1ms無效高電平的計數，保留其對有效高電平的計數數據。設計中的采樣頻率為256KHz，因此，在20ms內可采樣5120個數據，在高電平寬度內可采樣512個數據，高電平內采得的512個數據的前256個數據為無效數據，只需要對計數值減去256所得到的計數值進行處理，處理后計數的最大值為256，得到的計數值在0到256之間進行變化。圖2為PWM脈沖信號檢測模塊的FPGA仿真結果。

圖2 pwm＿detect模塊的FPGA仿真結果

由圖2可知，rst復位信號低電平有效，時鐘頻率為256KHz。當輸入一個周期為20ms，占空比5.9%的PWM脈寬信號時，輸出的8位數據轉換成十進制數理論值應該是44 （5120＊%5.9－256），圖2的仿真結果與設計要求相一致。

2.2 PWM脈寬信號數據轉換模塊

將采樣得到的0到256的有效數據進行處理，該數據以8位并行數據形式作用到convert模塊，該模塊將8位數據的高4位和低4位分別進行量化處理，轉換成BCD碼輸出給與其級聯的顯示電路。然后，將高4位和低4位的BCD碼進行10進制加法，這樣從前一級輸入的8位數據就完成了BCD碼轉化。并將BCD碼轉化成ASCII碼用于顯示。圖3給出了轉換模塊的FPGA仿真結果。

圖3 convert模塊的FPGA仿真結果

由圖3可看出，按設計要求當輸入din為 “11110011”時，顯示的結果應為0972（09.72V），通過仿真圖可知輸出 dout4 為 “00110000 （0 的 ASCII）” ，dout3 為“00111001 （9 的 ASCII）”，dout2 為 “00110111 （7 的ASCII）”，dout1為 “00110010 （2的 ASCII）”，在液晶上顯示的數據為9.72V，仿真結果與設計要求一致。

2.3 測量數據顯示模塊

為了便于觀察測量結果，采用液晶顯示模塊LCD用作測量數據顯示，顯示的數據來自于convert模塊的輸出。設計中選用的是LCD1602液晶顯示模塊。為了便于對LCD的時序控制，利用有限狀態機的狀態轉換圖來控制液晶的各種狀態。有限狀態機的狀態1到狀態4為液晶初始化，分別進行清屏、光標的設定、顯示的設定，顯示行數的設定的操作；狀態5與狀態9分別是寫入第一行和第二行DDRAM地址，控制顯示的所在行；狀態6、7、8分別寫入P、W、M對應的ASCII碼值；狀態10、11、12、13、14分別是寫入從convert模塊輸出的數據并在液晶上進行顯示。圖4給出了利用有限狀態機控制液晶的FPGA仿真時序圖。

圖4 有限狀態機控制的顯示時序仿真

圖4中輸入CLK信號的周期為5ms，rst為復位信號，低電平有效，din1、din2，din3和din4為輸入，即顯示的十進制數據，而LCD＿RS、LCD＿RW、LCD＿EN、A、K和LCD＿data是按照狀態機的設定進行輸出，滿足液晶的時序要求。

2.4 模擬量測量模塊

為了便于將測量到的PWM脈沖信號轉換成與之對應的模擬電壓，設計中采用DAC0808數模轉換器來完成PWM＿detect模塊輸出的數字量的轉換任務，DAC0808是8位D／A轉換集成芯片，與FPGA接口簡單、轉換控制容易。D／A轉換器由8位輸入鎖存器、8位D／A轉換電路及轉換控制電路構成，滿足輸出模擬電壓為0V到10V的設計要求，設計中將參考電壓設置為10V。

圖5給出了由DAC0808構成的數模轉換電路圖。其中，DAC0808的數據線與FPGA的I／O口相連。

在進行電路設計時保證R2與R3的阻值相等，為了使輸出電壓趨于穩定，可在運放的輸出端連接一個RC低通濾波器。

3 實驗結果

3.1 實驗條件

圖5 模擬量測量電路結構

在利用FPGA仿真調試通過后，為了測試設計的PWM信號轉換器的實際性能，實驗中利用數英信號發生器產生設計所要求的不同占空比的PWM脈沖信號，并將該信號作用到文中研究的利用FPGA設計的PWM信號轉換器的輸入端，同時為了更好地觀察信號發生器產生的波形，將該信號與泰克示波器的一個通道的探頭相連。另外，為了更好地觀察設計的信號轉換器的實驗測試結果，方便與理論值進行對比，將DAC0808的輸出與示波器的另一通道相連。實驗中，選擇時鐘頻率為256kHz，PWM信號的周期為20ms，脈寬通過旋轉信號發生器的旋鈕進行調節，圖6和圖7給出了PWM脈寬信號占空比為8%時的測試結果圖。其中，圖7為8%占空比時，測得的轉換后的模擬量值。圖8為PWM脈寬信號占空比為7%時的測試結果圖。

3.2 實驗結果與分析

為了測試利用FPGA設計的PWM信號轉換器的測量精度，實驗中對PWM脈寬信號選取不同的占空比進行了測試，測試結果見表1。

表1 實驗測試數據

表1給出了PWM信號在不同占空比時理論計算值和測量值的對比情況。通過對上表實驗數據分析可得，該PWM脈寬信號轉換器具有測量精度高的特點，最大測量誤差為0.6%。

4 結束語

文中結合PWM信號轉換器的指標要求，在進行深入分析的基礎上，研究了PWM信號的測量方法以及將PWM信號進行轉換的方法，詳細給出了PWM信號測量和轉換的FPGA仿真波形。在仿真的基礎上，將程序下載到FPGA中運行，進行了實際測試，給出了詳細的實驗結果，對實驗測試結果與理論值進行了對比和分析。通過對基于FPGA的機載PWM信號轉換器的仿真和實驗測試表明：研究的PWM信號測量和轉換方法具有測量精度高、電路簡單、設計靈活、數據處理速度快的特點，對實時性要求嚴格的場合具有一定的意義。文中設計的PWM信號轉換器可用于無人機的閉環仿真中，同時，經過擴展可用于其他脈沖寬度測量和轉換應用中，并對研究脈沖寬度測量的設計方法具有一定的參考價值。

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