基于FPGA的高精度PWM发生器设计与实现

技术创新

中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC )2009年第25卷第1-2期

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PLD CPLD FPGA 应用

基于FPGA 的高精度PWM 发生器设计与实现

Design and Implementation of High Precision PWM Generator Based on FPGA

（哈尔滨工业大学深圳研究生院Ｓｏｃ研究中心）

张岩宋翔

ZHANG Yan SONG Xiang

摘要:本文介绍了基于FPGA 的高精度PWM 发生器的设计方法和流程。本课题采用了自行设计的高速时序比较器，并对

RTL 级电路进行逻辑层优化和布局指导优化，

最终实现了200MHz 的时序收敛。整体设计通过了布局布线后仿真验证。本设计成功的应用到了一个电机控制器内部，实践表明本课题所提出的高精度PWM 发生器设计方案是合理、有效的。关键词:PWM 发生器;FPGA;静态时序分析;布局优化;布局布线后仿真

中图分类号:TP492

文献标识码:B Abstract:This paper introduces the design implementation and procedure of a high precision PWM generator based on FPGA.We de -signed a special high speed sequential comparator,and we also optimized the RTL and post-placement circuit for every sub module.

After the floorplan procedure,the 200MHz timing closure was finally achieved.Both functional simulation and post place and route simulation were done for design verification.This design has been successfully implemented in a motor controller and it is proven that the design methodology introduced in this paper is practical and effective.

Key words:PWM generator;FPGA;static timing analysis;floor planner optimization;post PAR simulation

文章编号:1008-0570(2009)01-2-0162-03

1引言

脉宽调制技术（Pulse Width Modulation,PWM ）起源很早，随

着科学技术的发展，广泛应用在电力、

电子、微型计算机、自动控制等多个学科领域。自80年代初以来，

出现了多种PWM 实现方法，归纳起来有自然采样法、规则采样法或谐波消去法等

等，其中自然采样法最能真实地反映PWM 的控制思想，

效果最好。对于传统的控制器而言，自然采样法算法是一个超越方程，需用计算机迭代求解，运算时间较长。如果事先算好存入存储器，则不仅浪费了存储空间，而且设计不灵活，精度低。近几年推出的DSP 处理器虽然在芯片内部整合PWM 发生器模块，但是这些模块已经在硅片上实现了，不能够随意调整系统参数，缺乏灵活性，不能够适应复杂的系统设计。

本课题在FPGA 上实现了高精度的PWM 发生器，在Xilinx 公司的Spartan3(-4速度级别)主流低端FPGA 器件上可以约束到高达200MHz 工作频率，并支持14位以上的可调数据位宽。设计全参数化配置，作为可重用模块能够嵌入到更大的FPGA 应用系统中，具有较高的工程应用价值。

2高精度PWM 发生器的设计与实现

a)RTL 级逻辑设计

本设计采用的是自然采样法产生PWM 波形。首先对实际的模拟电压值进行离散化，然后将离散化后的调制数据与载波数据进行实时比较，比较结果输送给死区信号发生器模块，该模块将死区保护时间附加到比较结果中，并输出PWM 波形。其中死区信号发生器的死区时间是可调的，以适应不同场合下的死区时间要求。

本设计主要有三个主要模块组成，分别是载波发生器、时

序等于比较器和死区保护发生器。设模块位宽为W ，现分别介

绍设计要点如下。

1、

载波发生器：设计采用了锯齿波作为PWM 载波。从电路的角度来讲设计锯齿波发生器会比设计三角波发生器使用更少的组合逻辑资源，从而有利于时序约束到较高的频率。为减少宽位宽的计数器的进位链长度，采用Prescaled 结构的计数器，将其拆分为2位计数器和（W-2）位计数器，减少了组合逻辑延迟。在优化阶段通过设定MultiCycle 约束，还可以进一步提高器件工作速度。

图2-1PWM 发生器总体框图

2、

时序等于比较器：该比较器不同于普通的纯组合逻辑等于比较器。通过例化FPGA 的底层子元件，在该等于比较器内部插入了一级D 触发器，大大减少了由于数据位宽增加而增加

组合逻辑延迟。由于存在一级寄存器，比较结果需要延迟一个时钟周期才能够输出。对于PWM 调制这种应用场合，高精度情况下可以接受比较结果的一个时钟周期延迟，因此使用该比较器造成的比较误差非常小。

3、

死区保护发生器：根据给定的死区长度数据，将输入的PX 信号输出为PH 和PL 信号，

并在PH 和PL 数据的变沿时刻插入死区保护（同时置为高电平）。具体方式是通过上升计数器和下降计数器来实现的：上桥臂控制信号PH 在PX 信号为1并且上升计数器计数完成后才置1，此时上桥臂开通；下桥臂控制信号PL 在PX 信号为0并且下降计数器计数完成后才置1，此时下桥臂开通。这个机制能够保证上下桥臂不会同时导通。

张岩:教授博导

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您的论文得到两院院士关注为了保证时序收敛，根据实际情况，考虑到死区保护发生器模块的任务是插入保护时间，因此工作速度可以较低，故工作频率设计为100MHz ；其余两个模块的工作频率设计为

200MHz 。

如图2-1所示，跨越异步时钟域的信号线只有PX 。由于这两个时钟域同相且具有二分频关系，只需要对比较器输出信号进行二倍脉冲展宽即可。

由于死区时间在不同的应用场合下也是不同的，且一般都在1us 以上。因此根据设计的技术指标，设计了一个6位寄存器保存死区宽度数据，并在设计内部对输入数据进行重新移位，以适应死区时间的区间可调特性。据设计测算，模块工作频率在100MHz 下，死区时间可以在2.5us 到5us 区间内实现64档调整。

b)结构优化实现

经过RTL 级设计之后，进行软件默认的综合和布局布线并不能够收敛到200MHz 。根据静态时序分析报告，发现关键路径仍存在于比较器的组合逻辑上。根据路径分析，虽然比较器进行了优化设计后减小了组合逻辑本身的延迟，但是软件自动布局布线之后的网线延迟很大，没有达到预期的优化效果。因此对该部分逻辑采用Floorplanner 工具进行手动布局，如图2-2所示。

图2-2时序比较器图2-3PWM 发生器应用于电

的手动布局图机控制器中的布局图

图2-2中DFF 为D 触发器，实现了中间结果的一个时钟周期寄存；LUT 为查找表，

在此处用法为FG(Function Generator ，功能发生器)，比较器的内含逻辑即保存在查找表中；Carrylink

为进位链，布局到FPGA 中的直接进位链上，这样进位延迟最小。通过手动布局约束，可以让软件在自动布局布线过程中预先分配好这些关键逻辑的布局资源，减小关键路径上的连线延迟。图2-3是本PWM 发生器应用在一个三相步进电动驱动器中的布局实例。该实例例化了三个本PWM 发生器以驱动三相桥臂，参见图2-2右上部分。通过该实例，充分说明了只要手动布局关键资源，模块可以以同样的优化结构复用到更大的FPGA 应用当中去。

经过Floorplanner 布局之后，时序收敛。静态时序分析表明该模块的最大周期时间为4.642ns (折算过来的频率达到

215MHz)，

其中3.409ns 为逻辑延迟,1.233ns 为布线延迟，逻辑延迟占到了总延迟的73.4%，

达到这个优化效果是非常令人满意的。

进行布局布线后仿真时发现设计有些情况下会出现模块reset 失败的现象。经过分析，发现是异步重置的recovery time 和removal time 无法满足某些200MHz 工作的D 触发器的要求。这是因为本模块都是采用的异步reset ，而异步reset 网络在

FPGA 内部是唯一的，

具有非常大的全局扇出，对于大型设计很容易造成数纳秒级别的传输延迟。而200MHz 的D 触发器工作周期才只有5纳秒，很容易造成时序错误。根据这一情况，对进行本模块的异步reset 信号进行了本地同步化，将异步reset 信号同步到三个完全相同的D 触发器内部，再分派给三个子模块，有效的减低了扇出系数。修改后的设计就没有再出现过reset 失败的现象了。

3设计的仿真与验证

本设计采用ModelSim 软件进行仿真验证。通过功能仿真验证设计的正确性，通过布局布线后仿真验证实际工作的正确性和稳定性。

图3-1是PWM 发生器的功能仿真波形。图中的ph 和pl 两根信号线就是PWM 发生器的输出信号。该仿真采用了14位数据宽度，其PWM 输出的载波频率为200MHz /214=12.2KHz 。死区保护时间在2.5us~5us 时间内可调。在给定pwm 寄存器和deadprotect 寄存器的输入后，该发生器能够正确地产生指定的PWM 波形输出。使用仿真波形图中的游标进行测算，所有波形数据符合设计预期。功能仿真通过。

图3-1PWM 发生器功能仿真

图3-2PWM 发生器布局布线后仿真

图3-2是PWM 发生器的布局布线后仿真波形图。根

据同样的方法，测算在不同输入波形的宽度，并计算验证，所有波形数据符合设计预期。布局布线后仿真通过。

表3-1FPGA 资源占用表

本设计最终占用FPGA 资源如表3-1所示。可见本设计经过优化后，综合后工作速度高，资源占用非常小。参数化的设计，可重用性也非常好。

4结束语

本文提出了一种在FPGA 器件上实现高精度PWM 发生器的设计方法。首先根据PWM 调制原理选择了其中效果最好的采用自然采样法调制PWM 信号。根据自然采样法的思想，将设计分拆为三个子模块，每个子模块都相对功能简单，并且易于设计和优化。考虑到以后工程应用的移植性，设计采用了参数化方式，主要的数据位宽和参数都可以直接在常数声明文件中进行配置。在每一个子模块的设计工程中，都分为了RTL 功能设计和结构优化两部分———RTL 功能设计实现模块功能，结构

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优化是在功能不变的前提下，通过等效结构变换减小设计的组合逻辑延迟，避免高扇出网络，提高设计稳定性。在结构优化中，还解决了200MHz 以上高速设计中异步reset 信号存在的潜在不稳定性问题。完成了设计和优化工序后，对设计进行了功能仿真和布局布线后仿真，经过人工计算比对，PWM 发生器的输出完全符合预期，保证了之前的设计工作的正确性。最后给出了FPGA 资源占用表格，供重用该模块评估时使用。

本文作者创新点：在比较器部分的设计当中，创造性地设计了内部带有一级D 触发器的等于比较器，并给出了最佳的

Floorplanner 布局图，

解决了高位宽下过长的进位链带来的大延迟的问题，在控制精度和器件工作频率之间找到了一个兼顾二者的契合点。采用了这种类型的比较器之后，本PWM 发生器可

以在200MHz 的工作频率下支持非常高的数据位宽，

提供非常精确的PWM 调制波形。

由此可见，本课题设计的高精度PWM 发生器具有工作频率高，控制精度高，资源消耗小，工作稳定，易于重用等诸多优点。

现在市场上PWM 发生器采用专用集成芯片价格为100元

左右，采用本方案集成到FPGA 内部，

不仅节约了大量电路板空间和成本，且其等效逻辑门成本约1元，批量应用后其经济效益非常显著。参考文献

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芯片上系统的研究。宋翔

（1984－），男，汉族，四川省宜宾市人，在读硕士研究生，主要从事FPGA 数字电路设计、数字图像处理、视频处理方向的研究。

Biography:ZHANG Yan (1969-),Male,Han nationality,Henan Province,Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School,Professor,Ph.D,Research on SOC-based chip of consumer electronics.

(518055广东深圳哈尔滨工业大学深圳研究生院Soc 研究中心)张岩宋翔

(Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School,Shenzhen 518055,China)ZHANG Yan SONG Xiang

通讯地址:(518055哈尔滨工业大学深圳研究生院Soc 研究中心)张岩

(收稿日期:2008.12.05)(修稿日期:2009.01.03)

（上接第63页）

分布式系统运行时实时变化的需求，分布式系统中嵌入式网络设备MAC 地址和IP 地址动态配置主要在于F1ash 的灵活应用。随着分布式系统中嵌入式设备的应用日益广泛和设计的复杂度不断提高，这种动态配置方法能够快速进行系统的集成设计和系统仿真,能够方便地增加系统的功能和处理效率，提高了动态配置性能,对系统的升级和再开发有必将产生深远的影响；

其次在大规模网络环境下，嵌入式网络设备地址采用动态配置方法，不仅可节省IP 资源，而且还可以产生较高的经济和社会效益。本文的创新点:合理地设置了嵌入式处理机板嵌入式系统访问MAC 地址和IP 地址信息的先后顺序,所有处理机板的调试方法和步骤基本趋于一致,嵌入式操作系统正常启动后，便可自动运行一个服务程序去读取MAC 地址和IP 地址并动态地对它进行设置。参考文献

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[6]葛立明，

范多旺，陈光武.基于ARM 嵌入式以太网接口设计与实现[J].微计算机信息，2007,5-2：40-41作者简介:高彦(1975-)，男，甘肃定西人，兰州大学信息科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向计算机仿真与分布式系统；马义忠(1952-)，男，甘肃通渭人，兰州大学信息科学与工程学院副教授，硕士生导师，主要研究方向分布式系统；貟秋峰

(1975-)，

男，陕西渭南人，兰州大学信息科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向计算机仿真与分布式系统。

Biography ：GAO Yan (1975-),men,GanSu,School of Information Science-Engineering,Lanzhou University,postgraduate,Research area:Computer simulation and Distributional system.

(730000甘肃兰州兰州大学信息科学与工程学院）高彦

马义忠貟秋峰

(School of Information Science-Engineering,Lanzhou University ,Lanzhou 730000)GAO Yan MA Yi-zhong YUN Qiu-feng 通讯地址:(730000兰州市天水南路222号兰州大学信息科学与工程学院)高彦

(收稿日期:2008.12.05)(修稿日期:2009.01.03)

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