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1、数字电路系统自主设计论文（2008级）题 目全自动直流电机调速系统学 院通信工程学院专 业信息工程班 级08086911学 号08085107、080851学生姓名陈宏营、鲁豪辉指导教师陈龙完成日期2009年6月摘要在使用直流电机的时候经常会因为所带动的负载的变化而改变了直流电机的转速，这就需要一个既能显示电机的转速，又能通过设置电机的转速使电机在带动一定的负载的时候达到稳定的转速。本系统运用EDA技术，采用FPGA为核心器件，对逻辑器件进行编程，QUARTUS II及实验开发系统为设计工具，用VHDL语言对产品进行设计然后下载到FPGA上验证实现功能。系统功能：整个系统只需要两个按键S1，S
2、2实现对速度设定，直流电机会按预先设定的速度转动，当加上一定的负载后，电机的速度就会发生改变，系统会自动识别并作出判断，自动对速度进行调整，直至达到预先设定的速度。但是当负载过大时，即使电机满负荷工作也不能达到预设的速度，这样就超过了系统的调节能力了。关键词：FPGA；VHDL；EDA；电机控制；集成电路目录1 引言4本课题的研究背景41.2 集成电路的国内外发展现状61.3 本课题的主要研究内容及意义72 总体设计82.1 功能要求82.2 系统设计框图92.3 基于STC89C52RC单片机的直流电机调速系统的设计92.4 系统方案比较93 各模块电路设计93.1 调速模块93.2 速度检
3、测模块133.3 速度设定模块173.4 各模块的组装204 全自动电机调速系统的FPGA验证214.1 FPGA简述214.2 FPGA的结构描述224.2 FPGA的配置模式234.3 系统验证235 致谢241 引言1.1本课题的研究背景PLD（可编程逻辑器件）是数字集成系统逻辑器件，一种数字集成电路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可利用某种开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些片内的元件连接起来，使之完成某个逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路。PLD的出现使数字系统的设计方法发生了崭新的变化。传统的系统设计
4、方法采用SSI和MSI标准通用器件以对电子电路进行设计，由于器件的种类、数量多且连接复杂，因而造成系统体积大、可靠性差。采用PLD设计系统后，可利用EDA工具来完成,极大地提高了设计效率和设计灵活性。近年来，PLD和EDA技术相互促进，使得PLD已在计算机硬件、工业控制、智能仪器、家用电器等领域得到广泛应用，成为电子产品设计变革的主流器件。目前具有竞争力的电子产品，多数都采用了PLD，而PLD的设计与改进必须借助EDA工具，因此掌握PLD和EDA技术已成为当今硬件系统设计者的重要任务。当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、
5、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（VLSCI，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASCI芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。大规模可编程逻辑器件CPDL和FGPA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师利用它可以在办公室或实验
6、室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短产品的上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改，这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。由于具备上述两方面的特点，CPLD和FPAG受到了世界范围内广大电子设计工程师们的普遍欢迎，应用日益广泛。目前已有单片可用门数超过数百万门、工作频率可达500MHZ以上的可编程ASCI芯片问世，由于工艺和结构的不断改进，可编程ASCI芯片上包含的资源越来越丰富，可实现的功能越来越强，他们已成为当今实现电子系统集成化的重要手段。当前PLD主要向两个方向发展：CPLD和F
7、PGA。而随着近年来半导体技术的飞速发展,现代高密度现场可编程逻辑器件FPGA，其设计性能及性价比已能够与掩膜ASIC抗衡，这极大地提高了FPGA在此领域的竞争力。可编程器件制造厂家可按照一定的规格以通用器件大量生产，用户可按通用器件从市场上选购，然后按自己的要求通过编程实现专用集成电路的功能。因此，对于集成电路制造技术与世界先进的集成电路制造技术尚有一定差距的我国，开发具有自主知识产权的专用集成电路，已成为相关专业人员的重要任务。按用户需要，面向特定用途而专门设计制作的集成电路。大量生产并标准化的通用集成电路一般不能满足全部用户的需要，研制新的电子系统常需各种具有特殊功能或特殊技术指标的集成
8、电路。定制集成电路是解决这个问题的重要途径之一，是集成电路发展的一个重要方面。按制作方式可分为全定制集成电路和半定制集成电路。全定制集成电路是按照预期功能和技术指标而专门设计制成的集成电路，制造周期长、成本高，制成后不易修改，但性能比较理想，芯片面积小，集成度高。半定制集成电路制法很多，其中的门阵列法是先将标准电路单元如门电路加工成半成品（门阵列、门海等），然后按用户的技术要求进行设计，将芯片上的各标准电路单元连成各种功能电路，进而连成所要的大规模集成电路。采用此法，从预制的半成品母片出发，借助计算机辅助设计系统，只须完成一、两块连线用的掩膜版再进行后工序加工，即可得到预期的电路。因此研制周期
9、大大缩短、成本降低、修改设计方便，宜于大批量生产。缺点是芯片面积利用率低，性能不如全定制集成电路。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。1.2 集成电路的国内外发展现状集成电路和软件是信息社会经济发展的基石和核心。正如美国工程技术界最近评出20世纪世界20项最伟大工程技术成就中
10、第五项电子技术时提到“从真空管到半导体、集成电路，已成为当代各行各业智能工作的基石。”集成电路是最能体现知识经济特征的典型产品之一。目前，以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。随着集成电路技术的发展，整机与元器件之间的明确界限被突破，集成电路不仅成为现代产业和科学技术的基础，而且正创造着代表信息时代的硅文化。30多年来，集成电路市场成长迅速，基本上是一条指数发展规律。随着科学技术的进步，集成电路在电子产品销售额中所占的份额逐年提高。目前，集成电路在整机中的应用，以计算机（PC）最大，通讯次之，第三位是消费类电子。集成电路已进入超深亚微米时代，集成电路的发展仍以继续追求高频、高速、
11、高集成度、多功能、低功耗为目标：器件的特征尺寸继续缩小；集成电路与其它学科结合诞生新的技术和产业增长点；新材料、新结构、新器件不断涌现。不断提高性价比是集成电路产品迅速发展的动力。1.3 本课题的主要研究内容及意义汽车安全控速系统能够实现对直流电机的速度调整与控制，检测电机速度，设置最高速度，超速报警，超速一定时间自动熄火等功能，对汽车行驶的安全提供了良好的保障。本文利用EDA技术，即以大规模可编程逻辑器件FPGA为设计载体，以计算机，FPGA的开发软件QUARTUS II及实验开发系统为设计工具，用硬件描述语VHDL对所需产品进行编程实现相应的功能，从而自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬
12、件系统的逻辑编译，逻辑仿真，直至完成对目标芯片FPGA适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终实现对节拍器专用集成电路的设计。本设计所做的工作主要有以下几个方面：（1）根据所设计的产品的功能要求，设计汽车安全控速系统专用集成电路的模型，画出系统框架图。要明确系统的任务。将系统划分成规模大小合适多个子系统，便于电路级的设计。（2）掌握QUARTUS II软件的学习和使用。（3）用VHDL硬件描述语言，对系统中的各个子系统或者模块进行逻辑描述，即将系统框架图里各模块进行程序编写。（4）利用EDA提供的设计平台，完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑仿真。（5）在FPGA实验箱上下
13、载验证所设计的汽车安全控速系统功能，进行相应的测试和查错，直至完成对目标芯片FPGA适配编译、逻辑映射、编程下载等工作。通过以上步骤，就可以设计出用户所需的相应的专用集成芯片，在本设计中即实现了对汽车安全控速系统专用集成电路的设计。用户可以利用此种方法，在EDA的设计平台上，实现你想实现的电子产品。2 总体设计2.1 功能要求通过两个按键S1，S2实现对直流电机的转速的设置，并能在数码管上显示。系统完全实现自动调速。当改变电机的负载时，系统会自动改变电机的转速，使之达到设定的速度。反馈2.2 系统设计框图测速设定速度调整速递显示预设速度与实际速度2.3 基于STC89C52RC单片机的直流电机
14、调速系统的设计STC89C52RC单片机是宏晶科技生产的普通51单片机,40引脚，可以作为整个系统的控制核心,运用C语言编程，编成方便可靠，但是整个系统的其他电路都需要进行仔细的分析和设计，系统电路较复杂，而且对直流电机的控制不方便。2.4 系统方案比较使用FPGA实现设计只需使用QuartusII软件设计好电路，然后将整个电路下再到FPGA中即可.而使用单片及实现设计方案比较复杂,经过综合比较,我们选择使用FPGA实现系统的设计。3 各模块电路设计3.1 调速模块设计初考虑外置数为10位，从而使速度的变化更加精确，但是考虑到实际情况当中，电机启动的最小占空比不能太低，我们将十位数的后五位舍去
15、直接接低电平，只保留高五位。通过对外置数C4.0的改变改变占空比，从而改变速度。原理图如图3.1-1图 2.1-1其中，COMPARE10是10位数值比较器，CNT10B为十进制计数器，设计思路是:通过计数器所记的数与比较器中的预置数进行比较,小于预置数的时候输出高电平,大于预置数的时候输出低电平,在一个计数器的周期内便可以实现占空比的改变。电路仿真波形如图3.2-2，设置不同的C的值就可以控制输出的占空比，从而实现调整直流电机的速度。a-1a-2b-1b-2c-1c-2图2.1-2十位二进制数计数器和十位数比较器分别调用LPM宏模块，如图2.1-3所示。AB图2.2-3C4.0的改变通过模块UD进行控制，其电路如图2.2-4所示，当UD的输入是高电平（即为1）时，计数器从0向高记数，当输入为低电平（即为0）时，计数器由高向低记数，当达到最高或最低值时，再输入高电平或低电平计数器均保持在最高或最低值，模块UD的VHDL语言编辑请见附录。图 2.2
