基于Spartan3主流低端FPGA器件實(shí)現(xiàn)PWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1.引言

脈寬調(diào)制技術(shù)（ Pulse Width Modulation， PWM）起源很早，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，廣泛應(yīng)用在電力、電子、微型計(jì)算機(jī)、自動控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。自 80年代初以來，出現(xiàn)了多種 PWM實(shí)現(xiàn)方法，歸納起來有自然采樣法、規(guī)則采樣法或諧波消去法等等，其中自然采樣法最能真實(shí)地反映 PWM的控制思想，效果最好。對于傳統(tǒng)的控制器而言，自然采樣法算法是一個(gè)超越方程，需用計(jì)算機(jī)迭代求解，運(yùn)算時(shí)間較長。如果事先算好存入存儲器，則不僅浪費(fèi)了存儲空間，而且設(shè)計(jì)不靈活，精度低。近幾年推出的 DSP處理器雖然在芯片內(nèi)部整合 PWM發(fā)生器模塊，但是這些模塊已經(jīng)在硅片上實(shí)現(xiàn)了，不能夠隨意調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，缺乏靈活性，不能夠適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本課題在 FPGA上實(shí)現(xiàn)了高精度的PWM發(fā)生器，在 Xilinx公司的 Spartan3（-4速度級別 ）主流低端 FPGA器件上可以約束到高達(dá) 200MHz工作頻率，并支持 14位以上的可調(diào)數(shù)據(jù)位寬。設(shè)計(jì)全參數(shù)化配置，作為可重用模塊能夠嵌入到更大的 FPGA應(yīng)用系統(tǒng)中，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值 。

2.高精度 PWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

a） RTL級邏輯設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是自然采樣法產(chǎn)生 PWM波形。首先對實(shí)際的模擬電壓值進(jìn)行離散化，然后將離散化后的調(diào)制數(shù)據(jù)與載波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，比較結(jié)果輸送給死區(qū)信號發(fā)生器模塊，該模塊將死區(qū)保護(hù)時(shí)間附加到比較結(jié)果中，并輸出 PWM波形。其中死區(qū)信號發(fā)生器的死區(qū)時(shí)間是可調(diào)的，以適應(yīng)不同場合下的死區(qū)時(shí)間要求。

本設(shè)計(jì)主要有三個(gè)主要模塊組成，分別是載波發(fā)生器、時(shí)序等于比較器和死區(qū)保護(hù)發(fā)生器。設(shè)模塊位寬為 W，現(xiàn)分別介紹設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1、載波發(fā)生器：設(shè)計(jì)采用了鋸齒波作為 PWM載波。從電路的角度來講設(shè)計(jì)鋸齒波發(fā)生器會比設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器使用更少的組合邏輯資源，從而有利于時(shí)序約束到較高的頻率。為減少寬位寬的計(jì)數(shù)器的進(jìn)位鏈長度，采用 Prescaled結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)器，將其拆分為 2位計(jì)數(shù)器和（W-2）位計(jì)數(shù)器，

減少了組合邏輯延遲。在優(yōu)化階段通過設(shè)定 MultiCycle約束，還可以進(jìn)一步提高器件工作速度。

2、時(shí)序等于比較器：該比較器不同于普通的純組合邏輯等于比較器。通過例化 FPGA的底層子元件，在該等于比較器內(nèi)部插入了一級 D觸發(fā)器，大大減少了由于數(shù)據(jù)位寬增加而增加組合邏輯延遲。由于存在一級寄存器，比較結(jié)果需要延遲一個(gè)時(shí)鐘周期才能夠輸出。對于 PWM調(diào)制這種應(yīng)用場合，高精度情況下可以接受比較結(jié)果的一個(gè)時(shí)鐘周期延遲，因此使用該比較器造成的比較誤差非常小。

3、死區(qū)保護(hù)發(fā)生器：根據(jù)給定的死區(qū)長度數(shù)據(jù)，將輸入的 PX信號輸出為 PH和 PL信號，并在 PH和 PL數(shù)據(jù)的變沿時(shí)刻插入死區(qū)保護(hù)（同時(shí)置為高電平）。具體方式是通過上升計(jì)數(shù)器和下降計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的：上橋臂控制信號 PH在 PX信號為 1并且上升計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完成后才置 1，此時(shí)上橋臂開通；下橋臂控制信號 PL在 PX信號為 0并且下降計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完成后才置 1，此時(shí)下橋臂開通。這個(gè)機(jī)制能夠保證上下橋臂不會同時(shí)導(dǎo)通。

為了保證時(shí)序收斂，根據(jù)實(shí)際情況，考慮到死區(qū)保護(hù)發(fā)生器模塊的任務(wù)是插入保護(hù)時(shí)間，因此工作速度可以較低，故工作頻率設(shè)計(jì)為 100MHz；其余兩個(gè)模塊的工作頻率設(shè)計(jì)為 200MHz。如圖 2-1所示，跨越異步時(shí)鐘域的信號線只有 PX。由于這兩個(gè)時(shí)鐘域同相且具有二分頻關(guān)系，只需要對比較器輸出信號進(jìn)行二倍脈沖展寬即可。

由于死區(qū)時(shí)間在不同的應(yīng)用場合下也是不同的，且一般都在 1us以上。因此根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè) 6位寄存器保存死區(qū)寬度數(shù)據(jù)，并在設(shè)計(jì)內(nèi)部對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重新移位，以適應(yīng)死區(qū)時(shí)間的區(qū)間可調(diào)特性。據(jù)設(shè)計(jì)測算，模塊工作頻率在 100MHz下，死區(qū)時(shí)間可以在 2.5us到 5us區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn) 64檔調(diào)整。

b）結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過 RTL級設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行軟件默認(rèn)的綜合和布局布線并不能夠收斂到 200MHz。根據(jù)靜態(tài)時(shí)序分析報(bào)告，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵路徑仍存在于比較器的組合邏輯上。根據(jù)路徑分析，雖然比較器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后減小了組合邏輯本身的延遲，但是軟件自動布局布線之后的網(wǎng)線延遲很大，沒有達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果。因此對該部分邏輯采用 Floorplanner工具進(jìn)行手動布局，如圖 2-2所示。

圖 2-2中 DFF為 D觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了中間結(jié)果的一個(gè)時(shí)鐘周期寄存； LUT為查找表，在此處用法為 FG（Function Generator，功能發(fā)生器 ），比較器的內(nèi)含邏輯即保存在查找表中； Carrylink為進(jìn)位鏈，布局到 FPGA中的直接進(jìn)位鏈上，這樣進(jìn)位延遲最小。通過手動布局約束，可以讓軟件在自動布局布線過程中預(yù)先分配好這些關(guān)鍵邏輯的布局資源，減小關(guān)鍵路徑上的連線延遲。

圖 2-3是本 PWM發(fā)生器應(yīng)用在一個(gè)三相步進(jìn)電動驅(qū)動器中的布局實(shí)例。該實(shí)例例化了三個(gè)本 PWM發(fā)生器以驅(qū)動三相橋臂，參見圖 2-2右上部分。通過該實(shí)例，充分說明了只要手動布局關(guān)鍵資源，模塊可以以同樣的優(yōu)化結(jié)構(gòu)復(fù)用到更大的 FPGA應(yīng)用當(dāng)中去。

經(jīng)過 Floorplanner布局之后，時(shí)序收斂。靜態(tài)時(shí)序分析表明該模塊的最大周期時(shí)間為 4.642ns（折算過來的頻率達(dá)到 215MHz），其中 3.409ns為邏輯延遲 ， 1.233ns為布線延遲，邏輯延遲占到了總延遲的 73.4%，達(dá)到這個(gè)優(yōu)化效果是非常令人滿意的。

進(jìn)行布局布線后仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)有些情況下會出現(xiàn)模塊 reset失敗的現(xiàn)象。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是異步重置的 recovery time和 removal time無法滿足某些 200MHz工作的 D觸發(fā)器的要求。這是因?yàn)楸灸K都是采用的異步 reset，而異步 reset網(wǎng)絡(luò)在 FPGA內(nèi)部是唯一的，具有非常大的全局扇出，對于大型設(shè)計(jì)很容易造成數(shù)納秒級別的傳輸延遲。而 200MHz的 D觸發(fā)器工作周期才只有 5納秒，很容易造成時(shí)序錯(cuò)誤。根據(jù)這一情況，對進(jìn)行本模塊的異步 reset信號進(jìn)行了本地同步化，將異步 reset信號同步到三個(gè)完全相同的 D觸發(fā)器內(nèi)部，再分派給三個(gè)子模塊，有效的減低了扇出系數(shù)。修改后的設(shè)計(jì)就沒有再出現(xiàn)過 reset失敗的現(xiàn)象了。

3.設(shè)計(jì)的仿真與驗(yàn)證本設(shè)計(jì)采用 ModelSim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過功能仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，通過布局布線后仿真驗(yàn)證實(shí)際工作的正確性和穩(wěn)定性。

圖 3-1是 PWM發(fā)生器的功能仿真波形。圖中的 ph和 pl兩根信號線就是 PWM發(fā)生器的輸出信號。該仿真采用了 14位數(shù)據(jù)寬度，其 PWM輸出的載波頻率為 200MHz / 214 = 12.2KHz。死區(qū)保護(hù)時(shí)間在 2.5us~5us時(shí)間內(nèi)可調(diào)。在給定 pwm寄存器和 deadprotect寄存器的輸入后，該發(fā)生器能夠正確地產(chǎn)生指定的 PWM波形輸出。使用仿真波形圖中的游標(biāo)進(jìn)行測算，所有波形數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)預(yù)期。功能仿真通過。

3-2是 PWM發(fā)生器的布局布線后仿真波形圖。根據(jù)同樣的方法，測算在不同輸入波形的寬度，并計(jì)算驗(yàn)證，所有波形數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)預(yù)期。布局布線后仿真通過。

本設(shè)計(jì)最終占用 FPGA資源如表 3-1所示?？梢姳驹O(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化后，綜合后工作速度高，資源占用非常小。參數(shù)化的設(shè)計(jì)，可重用性也非常好。

4.結(jié)束語

本文提出了一種在 FPGA器件上實(shí)現(xiàn)高精度 PWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法 ［4］。首先根據(jù) PWM調(diào)制原理選擇了其中效果最好的采用自然采樣法調(diào)制 PWM信號。根據(jù)自然采樣法的思想，將設(shè)計(jì)分拆為三個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊都相對功能簡單，并且易于設(shè)計(jì)和優(yōu)化?？紤]到以后工程應(yīng)用的移植性，設(shè)計(jì)采用了參數(shù)化方式，主要的數(shù)據(jù)位寬和參數(shù)都可以直接在常數(shù)聲明文件中進(jìn)行配置。在每一個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)工程中，都分為了 RTL功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩部分——RTL功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模塊功能，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在功能不變的前提下，通過等效結(jié)構(gòu)變換減小設(shè)計(jì)的組合邏輯延遲，避免高扇出網(wǎng)絡(luò)，提高設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，還解決了 200MHz以上高速設(shè)計(jì)中異步 reset信號存在的潛在不穩(wěn)定性問題。完成了設(shè)計(jì)和優(yōu)化工序后，對設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能仿真和布局布線后仿真，經(jīng)過人工計(jì)算比對， PWM發(fā)生器的輸出完全符合預(yù)期，保證了之前的設(shè)計(jì)工作的正確性。最后給出了 FPGA資源占用表格，供重用該模塊評估時(shí)使用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在比較器部分的設(shè)計(jì)當(dāng)中，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了內(nèi)部帶有一級 D觸發(fā)器的等于比較器，并給出了最佳的 Floorplanner布局圖，解決了高位寬下過長的進(jìn)位鏈帶來的大延遲的問題，在控制精度和器件工作頻率之間找到了一個(gè)兼顧二者的契合點(diǎn)。采用了這種類型的比較器之后，本 PWM發(fā)生器可以在 200MHz的工作頻率下支持非常高的數(shù)據(jù)位寬，提供非常精確的 PWM調(diào)制波形。

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