SOPC嵌入式高頻電磁場水處理器設(shè)計與實現(xiàn)

崔旭晶，崔秀艷，馬平全

（沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110015）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和民用生活中，廣泛使用著各類給水系統(tǒng)，使用較多的有鍋爐、冷卻水系統(tǒng)、熱交換器、中央空調(diào)等。這些設(shè)備在使用過程中，普遍存在著結(jié)垢、鐵銹腐蝕和藻類滋生等問題，致使設(shè)備傳熱效率降低，能耗增加，影響設(shè)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(xué)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(chǎn)生，而且老垢也脫落，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備、節(jié)能環(huán)保的目的，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 但其作用機(jī)理尚不明確，同時存在著幾種理論，還有待做進(jìn)一步研究[1]。這里設(shè)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(tǒng)與高頻阻垢機(jī)構(gòu)成，具有較高的智能化操作和實時監(jiān)控功能，是高頻電磁除垢設(shè)備的新一代產(chǎn)品。

目前可見一些MCU控制的高頻電磁場設(shè)計文獻(xiàn)[2-8]，但嵌入式的智能高頻電磁場設(shè)計文獻(xiàn)很少見。示。DDS頻率發(fā)生模塊根據(jù)SOPC控制系統(tǒng)提供的頻率控制數(shù)據(jù)產(chǎn)生高頻振蕩信號，但此信號幅值較低，需要進(jìn)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(jīng)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(tǒng)電源設(shè)計包括內(nèi)置穩(wěn)壓電源和外置開關(guān)電源兩部分，DDS頻率發(fā)生模塊、三極管推挽一級放大電路和SOPC控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)內(nèi)置穩(wěn)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(guān)電源供電。SOPC控制系統(tǒng)主要包括：SOPC硬件設(shè)備系統(tǒng)集成，觸控屏人機(jī)交互界面設(shè)計，觸控屏菜單界面顯示，觸摸控制功能實現(xiàn)。

1 高頻水處理器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于FPGA的SOPC嵌入式高頻阻垢系統(tǒng)框圖如圖1所

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

2 SOPC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 SOPC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式阻垢控制系統(tǒng)是基于SOPC的系統(tǒng)硬件設(shè)計，為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)控制功能，需要配置完整的系統(tǒng)組件，SOPC控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用AVALON總線傳輸規(guī)則，所有設(shè)備模塊都經(jīng)過總線相互訪問[4]。圖中粗實心雙向箭頭線表示模塊間數(shù)據(jù)傳輸線路，細(xì)箭頭線表示部分模塊間訪問權(quán)限及規(guī)則方式。軟件利用NiosⅡCPU將圖片的色彩RGB數(shù)據(jù)寫入顯存中，LCD觸摸屏驅(qū)動模塊將顯存中數(shù)據(jù)讀出，在LCD觸摸屏上顯示出來。當(dāng)有觸摸信號產(chǎn)生時，NiosⅡCPU將LCD觸摸屏驅(qū)動模塊中的觸摸信號通過PIO口讀出數(shù)值，再通過軟件執(zhí)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(jī)電路，其控制信號要通過PIO口對應(yīng)的FPGA引腳對高頻阻垢機(jī)進(jìn)行控制，而高頻阻垢機(jī)又將其設(shè)備運行狀態(tài)及頻率值送回控制電路中，經(jīng)過NiosⅡCPU將其讀出并顯示在LCD觸摸屏上。圖中DDR2 SDRAM作為CPU數(shù)據(jù)交換內(nèi)存，F(xiàn)LASH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(guī)則為固定形式，圖中沒有列出[5]。

圖2 SOPC控制系統(tǒng)框圖Fig.2 SOPC control system block diagram

2.2 SOPC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn)

1）創(chuàng)建系統(tǒng)模塊

創(chuàng)建QuartusⅡ9.1工程時，需要確定FPGA目標(biāo)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(tǒng)CPU。配置的主要SOPC系統(tǒng)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(qū)動及觸摸控制IP核、定時器、鎖相環(huán)和PIO并行輸入/輸出等[6-8]。

圖3 SOPC系統(tǒng)組件Fig.3 SOPC system components

2）集成系統(tǒng)CPU到QuartusⅡ9.1工程

創(chuàng)建包含系統(tǒng)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(qū)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(jìn)行FPGA引腳分配及有關(guān)設(shè)置，然后編譯QuartusⅡ9.1工程并下載。在成功編譯硬件系統(tǒng)后，將產(chǎn)生SOPC.sof的FPGA配置文件輸出，通過ByteBlasterⅡ下載線，連接PC機(jī)與目標(biāo)板進(jìn)行下載實現(xiàn)。下載到FPGA芯片中的工程，將FPGA編輯成一個帶有固定外設(shè)的微機(jī)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可為軟件提供一個合適的運行環(huán)境，以實現(xiàn)相應(yīng)的軟件功能。

3 觸控屏操作界面設(shè)計與軟件調(diào)試

3.1 觸控屏操作界面設(shè)計

觸控屏操作界面包括4個：用戶幫助界面、環(huán)境狀態(tài)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(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)備顯示分辨率為800×480，所以圖片制作的像素也應(yīng)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(jié)合來實現(xiàn)，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(fā)板（ALTERA公司的EP3C40?FPGA開發(fā)套件V6工作平臺）上電，載入硬件配置并運行軟件，系統(tǒng)開始工作，出現(xiàn)“用戶幫助界面”，觸摸該界面進(jìn)入“環(huán)境狀態(tài)輸入界面”，再觸摸此界面進(jìn)入“鍵盤輸入界面”。在鍵盤界面中，選擇要輸入的數(shù)字，再選擇Enter鍵，完成當(dāng)前項的環(huán)境狀態(tài)值輸入，以后各項環(huán)境狀態(tài)值的輸入同上。輸入完所有項后，觸摸OK進(jìn)入最后一個界面，即“功能控制菜單”界面。在最后界面中，當(dāng)需要重新設(shè)定環(huán)境狀態(tài)值時，選擇“環(huán)境狀態(tài)設(shè)定”，可返回到“環(huán)境狀態(tài)設(shè)定菜單”界面進(jìn)行重新設(shè)定。在最后界面的下方為“當(dāng)前水處理設(shè)備功放運行狀態(tài)”顯示區(qū)，紅色表示未運行，綠色表示運行。

3.2 觸控屏軟件設(shè)計及調(diào)試

1）基于32位avalon總線傳輸RGB數(shù)據(jù)流設(shè)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(shù)據(jù)生成圖片RGB數(shù)據(jù)，再將RGB數(shù)據(jù)通過總線傳輸?shù)斤@存當(dāng)中，以實現(xiàn)顯存數(shù)據(jù)的讀寫操作。這需要符合總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸規(guī)則，在軟件中就是要實現(xiàn)Avalon總線地址對齊，即本地地址對齊與動態(tài)地址對齊。

首先把圖片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BGR數(shù)組數(shù)據(jù)，使用軟件Image2Lcd可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。再將BGR數(shù)組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為大量連續(xù)數(shù)據(jù)，所以采用動態(tài)地址對齊。由于LCD顯示驅(qū)動讀取顯存使用RGB數(shù)組數(shù)據(jù)，所以還要把BGR數(shù)組數(shù)據(jù)重新排列成RGB數(shù)組數(shù)據(jù)，此處由于處理數(shù)據(jù)量過大，采用C程序?qū)φ麄€數(shù)組重新排列組合。最后將8位RGB數(shù)組數(shù)據(jù)變換成32位符合動態(tài)地址對齊的數(shù)組數(shù)據(jù)。

2）圖片顯示與界面載入實現(xiàn)

軟件在實現(xiàn)CPU對顯存DDR2讀寫時，需要使用NiosⅡIDE特有的API函數(shù)。API函數(shù)實現(xiàn)寫顯存的操作為IOWR_32DIRECT（BASE，OFFSET，data），實現(xiàn)讀顯存的操作為IORD_32DIRECT（BASE，OFFSET）。由于寫顯存需要進(jìn)行連續(xù)大量的數(shù)據(jù)寫操作，所以使用動態(tài)地址對齊，每次數(shù)據(jù)讀寫都要按照動態(tài)地址對齊規(guī)則來操作。

由于CPU寫顯存與LCD物理驅(qū)動讀顯存使用的信道都是總線，當(dāng)兩者同時訪問顯存時會出現(xiàn)總線占用。解決如下：在LCD物理驅(qū)動中設(shè)置顯示信號寄存器，當(dāng)軟件向顯存中寫入的一屏數(shù)據(jù)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(qū)動工作。由于此時是單次數(shù)據(jù)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(xiàn)的原理。當(dāng)需要顯示界面時，CPU會在短時間內(nèi)，向顯存所在地址連續(xù)寫入大量RGB數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)寫滿一屏?xí)r，CPU終止向顯存寫入數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而向顯示驅(qū)動發(fā)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(qū)動工作，然后CPU進(jìn)入觸摸信號檢測來執(zhí)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(xiàn)

設(shè)計中需要通過觸摸來實現(xiàn)控制功能。當(dāng)觸摸屏幕時，觸摸屏?xí)蛳到y(tǒng)PIO口反饋一個觸摸有效值，此值會和觸摸時間同步，系統(tǒng)通過讀取當(dāng)前PIO口值，來確定是否執(zhí)行當(dāng)前功能。

4）NiosⅡIDE9.1軟件調(diào)試及下載

運行NiosⅡIDE軟件，在新建工程中，添加QuartusⅡ9.1硬件系統(tǒng)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(chuàng)建，再配置工程的系統(tǒng)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(dāng)前程序，驗證其功能，最后下載系統(tǒng)到Flash，保證系統(tǒng)關(guān)電后，開機(jī)時Flash自動將配置信息讀出送給EPCS，使器件脫機(jī)工作[9]。

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

整個系統(tǒng)由高頻阻垢機(jī)和SOPC控制系統(tǒng)（帶彩色觸摸屏的開發(fā)板）組成，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)Fig.6 System debugging

前者主要產(chǎn)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(xiàn)阻垢系統(tǒng)工作時的實時監(jiān)控，由彩色觸摸屏提供顯示，主要包括：環(huán)境狀態(tài)輸入界面，如：使用壓力、水溫、工作頻率、功放數(shù)目、環(huán)境溫度及濕度等；功能控制界面，如：頻率選擇、功率選擇、參數(shù)設(shè)定等；還有用戶幫助界面、鍵盤輸入界面等。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，將兩個系統(tǒng)連接在一起，在硬軟件的協(xié)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(jiān)控情況，經(jīng)過調(diào)試和運行，達(dá)到阻垢所需要的功能及效果。

經(jīng)過調(diào)試運行和實際使用，高頻水處理器可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：使用壓力10～16 kgf/cm2，每通道輸出功率100 W（共4通道），可調(diào)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(jìn)出水口直徑不限，水流量、硬度不限，工作溫度≤200℃，環(huán)境溫度≤50℃，相對濕度＜90%，阻垢率≥95%。

5 結(jié) 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(yīng)用范圍廣，功效顯著。采用SOPC嵌入式技術(shù)開發(fā)的智能高頻電磁場水處理器，具有功能強大、實時監(jiān)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(chǎn)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(shù)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(tǒng)的設(shè)計及實驗研究[J].工業(yè)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(yōu)化控制策略研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011：15－30.

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[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(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)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.