SOPC课程设计报告.doc

中国地质大学（武汉） 机电学院电子信息工程专业 片 上 系 统 设 计 报 告 指导老师: 小组成员: 日 期: 设计题目：基于NIOSII软核的两轮自平衡小车 摘要：本设计采用FPGA的SOPC技术利用在FPGA内部构建NIOSII软核并在软核中例化定时器模块、PWM模块、UART模块和外部中断等特定的IP核。在规定10ms周期内CPU需要完成采集MPU6050陀螺仪和加速度计的数据，通过卡尔曼滤波计算出小车的姿态；通过外部中断触发方式采集电机自带编码器的输出脉冲信号，计算当前小车左右轮子车速；采用PID闭环控制算法，计算出维持车身姿态的电机驱动信号PWM波的占空比，驱动电机实现小车平衡。 关键词：FPGA；SOPC；NIOSII；IP核；陀螺仪；卡尔曼滤波；PID算法 1.系统方案 1.1 系统结构 1.1.1 系统总体框架 图1 系统整体框图 此设计的二轮平衡车系统主要分为以下功能模块： Nios II软核：用来读取各传感器数据，进行算法运算，产生控制信号维持平衡车姿态。 JTAG_UART：用来下载程序和调试软件各部分功能。 MPU6050：六轴姿态传感器，内部集成三轴陀螺仪和三轴加速度计，用以检测小车姿态。 蓝牙无线收发：连接Nios II软核中的串口内置外设，用以将传感器数据发送给上位机，来进行小车算法调试。 电机驱动：用来将Nios II软核输出的PWM信号转换成电机驱动电流，驱动大功率电机正常运转。 电机自带编码器：用来检测小车左右两个电机的转速，反馈给软核用于下一步运动的解算。 本设计利用FPGA的SOPC功能在FPGA芯片内部利用SOPC Builder设计符合系统要求的Nios II软核，在顶层文件中添加该软核和其他一些硬件资源（PLL，逻辑单元等）并完成引脚分配，最终实现实际电路的综合，配合Nios II IDE开发软件，开发系统软核实现控制二轮小车直立等动作。 1.2.NIOS II软核 1.2.1 Nios II软核整体框架 本系统根据两轮自平衡小车设计的实际需求，采用黑金动力的Cyclone IV代核心板提供核心控制。系统的硬件由一块FPGA 芯片、MPU6050、电机驱动模块、编码及编码整形电路、外部存储SDRAM、外部串行FLASH (EPCS64)等几个模块构成。FPGA 芯片主要实现Nios II 软核处理器和各种接口驱动等功能，其包括 Nios II 系统和外设两部分。Nios II 系统包括 Nios II 处理器、存储器、定时器、通用串行通讯接口、I2C接口、PWM接口和连接各个组件的Avalon 总线。其中I2C Interface 实现与MPU6050的通信，PWM接口实现电机的速度控制，带中断的PIO实现速度编码器的信号捕获，实现车模的速度测量和运动方向测量，定时器Timer为系统控制提供精确的定时周期，通用串行通讯接口用于系统算法的调试。软核整体结构，如图2所示。 图2 Nios II系统框图 1.2.2 Nios II软核使用资源 根据硬件结构及设计需要，使用Quartus II的SOPC Builder构建了一个Nios II 软核，除了建立了系统需要的硬件资源控制器如Nios II Processor、SDRAM、EPCS、JTAG UART调试模块；还为系统配备了硬件需要的接口如I2C接口、PWM控制器、电机方向控制接口、电机编码器输入接口等，为了方便调试；系统还预留了一些方便测试使用的LED接口、PIO_TEST测试专用接口等。具体使用资源如下图所示。 图3 CPU选型及存储配置 图4 NIOS II 软核资源 图5 NIOS II 软核资源（续） 1.2.3 Nios II软核顶层文件和管脚分配 通过创建新的.bpf文件作为工程的顶层文件,在此文件中以图形方式进行Nios II软核例、PLL锁相环的配置和例化并进行相应的连线。运行TCL脚本文件，实现NIOS II软核各接口引脚与外部硬件的真正互联，并对一些输入输出信号做相应的初始化。通过Pin Planner进行引脚连接情况的检查。具体使用情况如下图所示，图6为整体系统及接线情况，图7为整体引脚分部（此处使用的是黑金FPGA开发板提供的脚本文件）。 图6 bpf文件中的连接情况 图7 实际管脚分配 图8 第一次构建软核成功后编译通过内部资源使用情况 1.3硬件选型及系统主要电路设计 1.3.1黑金核心板硬件资源 本设计采用黑金的Cyclone IV核心板，能够最大限度的减小控制板占用的空间，同时核心板上集成有丰富的硬件存储资源和大量的外置引脚，功能完善，且能独立工作，适合此次课程设计的需求。另外