基于FPGA的机载PWM信号转换器仿真与实现

王尔申，陈士英，石剑民

（1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳110136；2.内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特010051）

0 引 言

航空电子系统作为无人机 （UAV）重要的组成部分，负责无人机的安全飞行、完成预定任务。随着电子技术、计算机、信号处理以及微电子系统 （MEMS）等技术的飞速发展以及无人机技术的不断发展，无人机航电系统正朝着智能化、模块化、综合化和高性能化的方向发展［1－3］。在航空电子系统中，无人机飞行控制系统是整个航电系统的核心单元，由传感器、飞控计算机和舵机等模块构成。飞控计算机一般通过串口、ADC模数转换器等获取GPS导航信息、三轴陀螺和加速度计等传感器信号，并常采用PWM信号方式控制舵机等执行机构［4－6］。

无人机飞控系统在应用到无人机中之前，需要进行闭环半物理仿真。在利用仿真机解算飞机数学模型仿真飞机的运动过程中，对机载软硬件和控制律进行全面的验证和评估。在进行半物理仿真中，仿真计算机需要在规定的时间内完成舵机控制PWM信号的采集，对脉宽信号测量精度和速度提出了较高要求，传统的脉宽信号测量有的利用高速ADC采集，有的使用单片机或者DSP进行测量，这些方法微控制器占用率高［7］。

本文提出了一种基于FPGA的PWM信号转换器的设计方法，利用FPGA并行处理能力强的优势测量PWM信号［8－10］，在仿真成功后进行实验测试，实测结果表明该方法具有测量精度高、处理测量数据速度快等特点，本文研究的PWM信号处理方法适用于飞控系统闭环半物理仿真系统和其他需要对PWM信号进行转换的应用。

1 PWM信号转换器设计方法

为了便于说明，设计中舵机控制脉宽信号的周期为20ms，脉冲宽度较窄为1.0ms～2.0ms，随着PWM输入信号1.0ms～2.0ms的脉冲宽度的变化线性输出0.0～10.0V模拟电压，PWM输入信号的脉冲宽度≤1.0ms时，输出0.0V电压，PWM输出信号的脉冲宽度≥2.0ms时，输出10.0V电压。针对上述的设计要求，通过分析可知，整个PWM信号有1ms的宽度不需要测量，只需对变化的1.0ms～2.0ms进行采样测量，得出高电平持续的时间。因此，设计中用256KHz的脉冲进行采样，在PWM脉宽信号为高电平时作为计数开始的使能信号，对高电平计数，在脉宽信号的脉冲下跳沿时停止计数，在PWM脉宽信号低电平期间进行数据处理，就可以得到一个8位的测量数据。然后，对测量数据根据量化值进行处理。对这个8位数据进行处理后可以为控制输入驱动无人机模型，也可进行显示输出，还可以直接连接D／A数模转换器输出模拟量。

2 基于FPGA的PWM信号转换器设计

设计采用的是Altera的EP3C160240C8N芯片，其属于cyclone III系列，该芯片共有240个管脚，其内部有15000多个逻辑单元，并且包含一个16位的乘法器，其处理速度较快，性能较强，而且成本较低，性价比较高，满足本设计的需要。图1为利用FPGA设计的PWM信号转换器电路模块总体连接框图。从图1中可以看出，整个PWM信号转换器由PWM信号测量模块、测量数据转换模块、D／A控制模块和数据显示处理模块构成。其中，PWM信号测量模块主要是对被测输入信号进行检测、测量，进而获得PWM信号高电平持续的时间；测量数据转换模块主要完成符合显示要求的数据格式；D／A控制模块主要实现与DAC0808的接口控制；数据显示模块主要完成与LCD的接口时序控制，将测量结果显示在LCD上。

图1中PIN＿31端子所连接的是一个50MHz的晶振，可以通过计数器分频得到设计中所需要的时钟信号频率。PIN＿6所连接的复位控制按键。设计中所需要检测的PWM脉宽信号从FPGA开发版PIN＿127管脚输入FPGA芯片中。检测测量部分在PWM＿detect模块中完成，并输出一个8位宽的二进制数码，输出的数码可以作为控制输入驱动无人机模型，可以输出到DAC0808模块进行数模转换，也可以提供给convert模块进行处理以便于能够在液晶上显示输出结果。Convert模块将PWM＿detect模块输出的数据进行处理得到4个ASCII值。这4个ASCII值通过图1中的LCD＿1602模块进行显示输出前的处理，进而提供给LCD1602液晶模块。

2.1 PWM脉宽信号检测模块

图1 PWM信号转换器电路模块连接框架

PWM脉宽信号检测模块先将Altera开发板上的50MHz晶振信号进行分频，得到256KHz的PWM脉宽信号检测时钟信号，然后对输入周期为20ms的PWM脉宽信号进行检测。为了减小测量误差，设计中在PWM脉宽信号的上升沿到来时进行检测。因此，PWM脉宽信号上升沿到来时将产生一个使能信号，将其作为整个测量系统内部的启动信号，对PWM脉宽信号的高电平进行计数。每当频率为256KHz的采样信号来一个上升沿时数据变化一次，并且判断计数是否停止。计数停止后对数据进行判断，滤去对1ms无效高电平的计数，保留其对有效高电平的计数数据。设计中的采样频率为256KHz，因此，在20ms内可采样5120个数据，在高电平宽度内可采样512个数据，高电平内采得的512个数据的前256个数据为无效数据，只需要对计数值减去256所得到的计数值进行处理，处理后计数的最大值为256，得到的计数值在0到256之间进行变化。图2为PWM脉冲信号检测模块的FPGA仿真结果。

图2 pwm＿detect模块的FPGA仿真结果

由图2可知，rst复位信号低电平有效，时钟频率为256KHz。当输入一个周期为20ms，占空比5.9%的PWM脉宽信号时，输出的8位数据转换成十进制数理论值应该是44 （5120＊%5.9－256），图2的仿真结果与设计要求相一致。

2.2 PWM脉宽信号数据转换模块

将采样得到的0到256的有效数据进行处理，该数据以8位并行数据形式作用到convert模块，该模块将8位数据的高4位和低4位分别进行量化处理，转换成BCD码输出给与其级联的显示电路。然后，将高4位和低4位的BCD码进行10进制加法，这样从前一级输入的8位数据就完成了BCD码转化。并将BCD码转化成ASCII码用于显示。图3给出了转换模块的FPGA仿真结果。

图3 convert模块的FPGA仿真结果

由图3可看出，按设计要求当输入din为 “11110011”时，显示的结果应为0972（09.72V），通过仿真图可知输出 dout4 为 “00110000 （0 的 ASCII）” ，dout3 为“00111001 （9 的 ASCII）”，dout2 为 “00110111 （7 的ASCII）”，dout1为 “00110010 （2的 ASCII）”，在液晶上显示的数据为9.72V，仿真结果与设计要求一致。

2.3 测量数据显示模块

为了便于观察测量结果，采用液晶显示模块LCD用作测量数据显示，显示的数据来自于convert模块的输出。设计中选用的是LCD1602液晶显示模块。为了便于对LCD的时序控制，利用有限状态机的状态转换图来控制液晶的各种状态。有限状态机的状态1到状态4为液晶初始化，分别进行清屏、光标的设定、显示的设定，显示行数的设定的操作；状态5与状态9分别是写入第一行和第二行DDRAM地址，控制显示的所在行；状态6、7、8分别写入P、W、M对应的ASCII码值；状态10、11、12、13、14分别是写入从convert模块输出的数据并在液晶上进行显示。图4给出了利用有限状态机控制液晶的FPGA仿真时序图。

图4 有限状态机控制的显示时序仿真

图4中输入CLK信号的周期为5ms，rst为复位信号，低电平有效，din1、din2，din3和din4为输入，即显示的十进制数据，而LCD＿RS、LCD＿RW、LCD＿EN、A、K和LCD＿data是按照状态机的设定进行输出，满足液晶的时序要求。

2.4 模拟量测量模块

为了便于将测量到的PWM脉冲信号转换成与之对应的模拟电压，设计中采用DAC0808数模转换器来完成PWM＿detect模块输出的数字量的转换任务，DAC0808是8位D／A转换集成芯片，与FPGA接口简单、转换控制容易。D／A转换器由8位输入锁存器、8位D／A转换电路及转换控制电路构成，满足输出模拟电压为0V到10V的设计要求，设计中将参考电压设置为10V。

图5给出了由DAC0808构成的数模转换电路图。其中，DAC0808的数据线与FPGA的I／O口相连。

在进行电路设计时保证R2与R3的阻值相等，为了使输出电压趋于稳定，可在运放的输出端连接一个RC低通滤波器。

3 实验结果

3.1 实验条件

图5 模拟量测量电路结构

在利用FPGA仿真调试通过后，为了测试设计的PWM信号转换器的实际性能，实验中利用数英信号发生器产生设计所要求的不同占空比的PWM脉冲信号，并将该信号作用到文中研究的利用FPGA设计的PWM信号转换器的输入端，同时为了更好地观察信号发生器产生的波形，将该信号与泰克示波器的一个通道的探头相连。另外，为了更好地观察设计的信号转换器的实验测试结果，方便与理论值进行对比，将DAC0808的输出与示波器的另一通道相连。实验中，选择时钟频率为256kHz，PWM信号的周期为20ms，脉宽通过旋转信号发生器的旋钮进行调节，图6和图7给出了PWM脉宽信号占空比为8%时的测试结果图。其中，图7为8%占空比时，测得的转换后的模拟量值。图8为PWM脉宽信号占空比为7%时的测试结果图。

3.2 实验结果与分析

为了测试利用FPGA设计的PWM信号转换器的测量精度，实验中对PWM脉宽信号选取不同的占空比进行了测试，测试结果见表1。

表1 实验测试数据

表1给出了PWM信号在不同占空比时理论计算值和测量值的对比情况。通过对上表实验数据分析可得，该PWM脉宽信号转换器具有测量精度高的特点，最大测量误差为0.6%。

4 结束语

文中结合PWM信号转换器的指标要求，在进行深入分析的基础上，研究了PWM信号的测量方法以及将PWM信号进行转换的方法，详细给出了PWM信号测量和转换的FPGA仿真波形。在仿真的基础上，将程序下载到FPGA中运行，进行了实际测试，给出了详细的实验结果，对实验测试结果与理论值进行了对比和分析。通过对基于FPGA的机载PWM信号转换器的仿真和实验测试表明：研究的PWM信号测量和转换方法具有测量精度高、电路简单、设计灵活、数据处理速度快的特点，对实时性要求严格的场合具有一定的意义。文中设计的PWM信号转换器可用于无人机的闭环仿真中，同时，经过扩展可用于其他脉冲宽度测量和转换应用中，并对研究脉冲宽度测量的设计方法具有一定的参考价值。

［1］LI Jin.Suggestions for developing integrated electronics information system for China’s future aerospace plane ［J］.Telecommunication Engineering，2010，50 （3）：1－5 （in Chinese）.［李劲.我国未来空天飞机综合电子信息系统的发展建议 ［J］.电讯技术，2010，50 （3）：1－5.］

［2］CHENG Xuejun.Future air navigation system （FANS）and its application in avonics systems ［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（5）：101－107 （in Chinese）. ［程学军.新航行系统及其在航空电子系统中的应用 ［J］.电讯技术，2009，49 （5）：101－107.］

［3］ZHU Huayong，NIU Yifeng，SHEN Lincheng，et al.State of the art and trends of autonomous control of UAV systems ［J］.Journal of National University of Defense Technology，2010，32（3）：115－120 （in Chinese）.［朱华勇，牛轶峰，沈林成，等.无人机系统自主控制技术研究现状与发展趋势 ［J］.国防科技大学学报，2010，32 （3）：115－120.］

［4］JoséJ Rosales，Manuel Toledo，Luca Bonardi，et al.Development of a UAV low－cost navigation system prototype for ATM applications［C］／／ION GNSS，2009：1－9.

［5］WANG Ershen，ZHANG Zhixian，SUN Yanpeng，et al.Impoved design of avionics for composite material UAV ［J］.Telecommunication Engineering，2012，52 （9）：1548－1552 （in Chinese）.［王尔申，张芝贤，孙延鹏，等.复合材料无人机航电 系 统 的 改 进 设 计 ［J］. 电 讯 技 术，2012，52 （9）：1548－1552.］

［6］LI Rongyuan，Frhleke Norbert，Bcker Joachim.LLCC－PWM inverter for driving high－power piezoelectric actuators ［C］／／13th International Power Electronics and Motion Control Conference，EPE－PEMC，2008：159－164.

［7］DUAN Xiaojun，WU Chengfu，KANG Fengju，et al.Acquisition model research of UAV actuator control PWM signal ［J］.Computer Measurement ＆ Control，2010，18 （6）：1455－1457（in Chinese）.［段晓军，吴成富，康凤举，等.无人机舵机控制脉宽采集模块开发 ［J］.计算机测量与控制，2010，18（6）：1455－1457.］

［8］LIU Xiaoyan，JING Liang，HONG Yizhou.The implementation of high－precision digital PWM DC／DC converters controller based on FPGA ［J］.Electrical Measurement ＆Instrumentation，2009，46 （1）：77－80 （in Chinese）.［刘晓艳，景亮，洪益州.基于FPGA的高精度数字PWM DC／DC控制器设计［J］.电测与仪表，2009，46 （1）：77－80.］

［9］Vargas F，Meco M J.Highly efficient PWM strategy over FPGA ［J］.Electronics Letters，2008：44 （24）：1396－1398.

［10］Y Kaiping，GUO Hong，WANG Dayu.Design of multiredundancy electro－mechanical actuator controller with DSP and FPGA ［C］／／Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems，2007：584－587.