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1、 直流电机控制仪第 1 页 共 40 页1 绪论1.1 FPGA 背景目前以高速集成硬件描述语言（VHDL）所完成的电路设计，可以经过简 单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的 FPGA 里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipflop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把 FPGA 内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成
2、品 FPGA 的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以 FPGA 可以完成所需要的逻辑功能。 FPGA 一般来说比 ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的 FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的 FPGA 上完成的，然后将设计转移到一个类似于 ASIC 的芯片上。另外一种方法是用 CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。1.2 FPGA 发展前景 FPGA 技术正处于高速发展时期，新型芯片的规模越来越大，成本
3、也越来越低，低端的 FPGA 已逐步取代了传统的数字元件，高端的 FPGA 不断在争夺 ASIC的市场份额。先进的 ASIC 生产工艺已经被用于 FPGA 的生产，越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的 FPGA 芯片中，基于 FPGA 的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不同提高，FPGA 的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代 ASIC 来实现电子系统的前景将日趋光明。(1) 大容量、低电压、低功耗 FPGA大容量 FPGA 是市场发展的焦点。FPGA 产业中的两大霸主：Altera 和Xilinx 在超大容量 FPGA 上展开了激烈的竞争。2007 年 Alter
4、a 推出了 65nm 工艺的 StratixIII 系列芯片，其容量为 67200 个 L E (Logic Element，逻辑单 直流电机控制仪第 2 页 共 40 页元)，Xilinx 推出的 65nm 工艺的 VitexVI 系列芯片，其容量为 33792 个 Slices (一个 Slices 约等于 2 个 L E)。采用深亚微米(DSM)的半导体工艺后,器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展，对 FPGA 的低电压、低功耗的要日益迫切。因此，无论那个厂家、哪种类型的产品,都在瞄准这个方向而努力。(2) 系统级高密度 FPGA随着生产规模的提高,产品应用成
5、本的下降，FPGA 的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成，而是将它灵活地应用于系统级(包括其核心功能芯片)设计之中。在这样的背景下，国际主要 FPGA 厂家在系统级高密度FPGA 的技术发展上，主要强调了两个方面：FPGA 的 IP( Intellec2tual Property ，知识产权)硬核和 IP 软核。当前具有 IP 内核的系统级 FPGA 的开发主要体现在两个方面：一方面是 FPGA 厂商将 IP 硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到 FPGA 器件中，另一方面是大力扩充优化的 IP 软核(指利用HDL 语言设计并经过综合验证的功能单元模块)，用户可以直接利用
6、这些预定义的、经过测试和验证的 IP 核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。(3) FPGA 和 ASIC 出现相互融合虽然标准逻辑 ASIC 芯片尺寸小、功能强、功耗低，但其设计复杂，并且有批量要求。FPGA 价格较低廉，能在现场进行编程，但它们体积大、能力有限，而且功耗比 ASIC 大。正因如此，FPGA 和 ASIC 正在互相融合，取长补短。随着一些 ASIC 制造商提供具有可编程逻辑的标准单元，FPGA 制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣。(4) 动态可重构 FPGA动态可重构 FPGA 是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性，而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。对
7、于数字时序逻辑系统，动态可重构 FPGA 的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成，而是通过对 FPGA 进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。动态可重构 FPGA 在器件编程结构上具有专门的特征，其内部逻辑块和内部连线的改变，可以通过读取不同的 SRAM 中的数据来直接实现这样的逻辑重构，时间往往在纳秒级，有助于实现 FPGA 系统逻辑功能的动态构。 直流电机控制仪第 3 页 共 40 页1.3 课程设计任务本课程设计中使用 Altera 公司的 EP2C35 系列的 FPGA 芯片，利用 SOPC-NIOSII-EP2C35 开发板直流电机与步进
8、电机模块等资源，实现一个直流电机测控仪。（1）基本技能掌握：1 掌握时钟作用下频率的控制2 掌握十进制计数器的设计3 掌握 16 位的锁存器的设计4 掌握显示译码功能的设计（2）基本功能要求1 利用旋转电位器实现转速的控制2 利用 PWM 信号实现转速的控制3 利用 8 位动态七段码管显示实现转速的显示（3）扩展功能选择性要求1 利用 44 键盘阵列实现键盘转速的控制2 利用 16*16 点阵显示实现转速级别的显示2 设计原理2.1 直流电机测控总原理直流电机测控仪总体设计硬件由图 2.1 所示，FPGA 为 Altera 公司的EP2C35 系列，输入设备有时钟、4*4 键盘、霍尔器件和警报
9、控制开关。时钟采用 1MHZ,4*4 键盘给 FPGA 输入一个 4 位数组信号，霍尔器件输入计数脉冲。输出设备有直流电机、8 位 7 段字符 LED 数码管、 16*16 点阵 LED，直流电机可采用直接由旋钮控制转速或者 PWM 控制转速， 8 位 7 段字符 LED 数码管显示每分钟转速，16*16 点阵 LED 显示速度级别。 直流电机控制仪第 4 页 共 40 页图 2.1：总体设计硬件框架图2.2 直流电机与霍尔器件驱动将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过， 由于电磁作用，这样电枢导体将会产生磁场。同时产生的磁场与主磁极的的磁场产生电磁力，这个电磁力作用于转子，使转
10、子以一定的速度开始旋转，这样电机就开始工作。时钟1MHZ4*4 键盘FPGA直流电机8 位 7 段字符 LED 数码管16*16 点阵LED霍尔器件 直流电机控制仪第 5 页 共 40 页图 2.2：直流电机结构图为了能够测定出电机在单位时间内转子旋转了多少个周期，我们在电机的外部电路中加入了一个开关型的霍尔器件，同时在电子转子上的转盘上加入了一个能够使霍尔原件产生输出的带有磁场的磁钢片。当电机旋转时，带动转盘是的磁钢片一起旋转，当磁钢片旋转到霍尔器件的上方时，可以导致霍尔器件的输出端高电平变为低电平。当磁钢片转过霍尔器件上方后，霍尔器件的输出端又恢复高电平输出。这样电机每旋转一周，则会使霍尔
11、器件的输出端产生一个低脉冲，我们就可以通过检测单位时间内霍尔器件输出端低脉冲的个数来推算出直流电机在单位时间内的转速。直流电机和开关型霍尔器件的电路原理图如下图 2.3 所示：图 2.3：直流电机、霍尔器件电路图直流电机驱动有两种方式，其一是可以由模拟电平来驱动，把电路图上 4与 3 短接，可以旋转实验箱左边的旋钮，调节旋钮的可以控制速度；其二是通过 PWM 控制，把电路图的 6 与 5 短接，PWM 信号高电位选通三极管，让直流电机转动，不过为了让直流电机获得较大的转速，同样要把电机左边的旋钮调到比较大的位置。2.3 键盘驱动对键盘的电位扫描，就可以确定当前的键有没有被按下。单个按键电路如图
12、 2.4 所示，在按键没有被按下时，在判断电位点可以获取高电位，在键被按 直流电机控制仪第 6 页 共 40 页下时，在判断电位为低电位，这样可以通过判断点电位的高低即可确定按键有没有被按下。图 2.4：单个按键电路图4*4 的键盘与 FPGA 连接图如下图 3.4 所示，扫描键盘由 FPGA 的 8 个控制端口确定，控制行端口设置为 buffer 模式，控制列端口设置为 in 模式，扫描键盘的方法为先给第一行键盘为低电平，其余行列为高电平，读取纵列的电位值，如果没键被按下，在电位判断端口获取的为高电位，如果有键按下，电位判断点的电平不全为零，由电位值的第几位为零就可以确定当前行那个键被按下，
13、依次对四行键盘扫描，扫描结束输出 4 位数组的信号，以告诉那个键被按下。图 2.5: 4*4 键盘电路图2.4 8 位 7 段数码管的驱动七段数码管是电子开发过程中常用的输出显示设备。在实验系统中使用的是两个四位一体、共阴极型七段数码管。其单个静态数码管如下图 2.6 所示。高点平点亮数码管相应的数码段。 直流电机控制仪第 7 页 共 40 页图 2.6 ：静态七段数码管图 2.7：8 位 7 段数码管的驱动如图 2.7 的 8 位 7 段数码管的连接，由于七段数码管公共端连接到GND（共阴极型） ，当数码管的中的那一个段被输入高电平，则相应的这一段被点亮。反之则不亮。四位一体的七段数码管在单
14、个静态数码管的基础上加入了用于选择哪一位数码管的位选信号端口。八个数码管的a、b、c、d、e 、f、g、h、dp 都连在了一起，8 个数码管分别由各自的位选信号来控制，被选通的数码管显示数据，其余关闭。2.5 16*16 点 LED 阵列驱动单个的 LED 的电路如下图 2.8 所示，对于单个 LED 的电路图当 Rn 输入一个高电平，同时 Cn 输入一个低电平时，电路形成一个回路，LED 发光。也就是 LED 点阵对应的这个点被点亮。 直流电机控制仪第 8 页 共 40 页图 2.8：单个 LED 电路图本设计要完成速度级别（0 到 15）在点阵 LED 上的显示， 16*16 点阵LED
15、扫描的工作原理与 8 位扫描数码管类似，只是显示的方式与结果不一样而已。16*16 点阵由此 256 个 LED 通过排列组合而形成 16 行*16 列的一个矩阵式的 LED 阵列。图 2.9：16*16 点阵硬件图16*16 点阵 LED 驱动时，依次选通 LED 点阵行端口，每次只能选通一个端口(Cn) ，字符译码的第 N 列结果在列端口（Rn）输入，通过高速依次点亮led 点阵就可看到 led 点阵上显示的数字。2.6 PWM 控制的原理PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形。如下图 2.10 所示，设定值计数器设置 PWM 信号的占空比。当 UD=1，输入 CLK2，使设定值计数值的输出值增加，PWM 的占空比增加，电机转速加快；当 UD=，输入 CLK2 使设定值计算器的输出值减小， PWM 的占空比减小，电机转速变慢。在 CLK的作用下，锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时，数字比较器输出低电平；当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的 PWM 波形。旋转反向控制电路控制直流电动机转向和启/停，该电路由两个选多路选择器组成， ZF
