【正文】 參考文獻 ......................................................................................................................42附錄 ..............................................................................................................................43英文原文 ..................................................................................................................43英文譯文 ..................................................................................................................53源程序 ......................................................................................................................631前 言步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”) ，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制 [2]。 實踐證明，步進電機細分驅動技術可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。采用FPGA控制步進電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表和利用FPGA設計的數字比較器可以同步產生多路PWM電流波形，對多相步進電機進行靈活的控制 [3]。當改變控制波形表的數據、增加計數器的位數，提高計數精度，就可以對步進電機的步進轉角進行任意細分，實現步進轉角的精確控制。本文正是基于 GW48PK2 的 FPGA 步進電機，利用 EDA 技術及 VHDL語言對其進行細分控制的設計。通過對步進電機控制原理的研究，在 EDA 技術平臺上完成對步進電機細分驅動控制器的電路設計，編譯后下載到 FPGA 中，最終完成硬件的功能實現。通過本文的討論，旨在展示一種新的獲得步進電機細分驅動控制器的方法，并且實踐證明本文所展示的方法簡便易行且是行之有效的，為設計步進電機細分驅動控制器提供了一種新的思路。為了較清晰地展示步進電機細分驅動控制器的設計，本文的組織順序如下：第 1 章詳細介紹了 EDA 技術的概念，VHDL 硬件描述語言的各種優(yōu)勢，論2述了 EDA 技術的發(fā)展歷程，為后面 EDA 軟件平臺的使用奠定了基礎。第 2 章介紹了本課題所使用的硬件 GW48PK2 系統(tǒng) ，它是步進電機細分驅動控制器的實現平臺。第 3 章分析了步進電機工作原理并給出其細分驅動控制器的設計方案，為下一步的電路設計提供了理論支持，是本文的核心部分。第 4 章詳細介紹了在 EDA 技術軟件 QuartusII 上完成電路設計并最終實現硬件功能的設計流程，是對 QuartusII 軟件使用過程的介紹，更是對理論知識的綜合應用。第 5 章總結與展望。3第 1 章 EDA 技術及 VHDL 語言 EDA 技術現代電子設計技術的核心已日趨轉向基于計算機的電子設計自動化技術，即 EDA(Electronic Design Automation)技術。 EDA 技術就是依賴功能強大的計算機，在 EDA 工具軟件平臺上，對以硬件描述語言 HDL 為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合，以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現既定的電子線路系統(tǒng)功能 [4]。EDA 技術使得設計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言VHDL 和 EDA 軟件來完成對系統(tǒng)硬件的實現。EDA 技術在硬件實現方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術，IC 版圖設計技術、ASIC 測試和封裝技術、FPGA/CPLD 編程下載技術、自動測試技術等；在計算機輔助工程方面融合了計算機輔助設計（CAD） 、計算機輔助制造（CAM） 、計算機輔助測試（CAT） 、計算機輔助工程（CAE）技術以及多種計算機語言的設計概念；而在現代電子學方面則容納了更多的內容，如電子線路設計理論、數字信號處理技術、數字系統(tǒng)建模和優(yōu)化技術及長線技術理論等。因此 EDA 技術為現代電子理論和設計的表達與實現提供了可能性。EDA 代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：設計人員按照“自頂向下 ”的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，系統(tǒng)的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現，然后采用硬件描述語言（HDL ）完成系統(tǒng)行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件，這樣的設計方法被稱為高層次的電子設計方法?！白皂斚蛳隆钡脑O計方法首先從系統(tǒng)設計人手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結構設計。在方框圖一級進行仿真、糾錯，并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證。然后，用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網絡表，其對應的物理實現級可以是印刷電路板或專用集成電路。由4于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的，這既有利于早期發(fā)現結構設計上的錯誤，避免工作的浪費，又減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設計的一次成功率。 相對于傳統(tǒng)的電子設計方法，EDA 還存在以下等優(yōu)勢：，縮短設計周期。 EDA 公司與半導體生產廠商合作、共同開發(fā)，從而能夠完成各種自動設計過程。 。 。 ，再無受制于人之虞。 ，為系統(tǒng)開發(fā)提供可靠的保證。 。 。 ，使設計者能更大程度地將自己的材質和創(chuàng)造力集中在設計項目性能的提高和成本的降低上。 技術具有更好的高速性能。 技術以全硬件來實現，具有高可靠性 [5]。 VHDL 硬件描述語言硬件描述語言（HDL）是一種用于設計硬件電子系統(tǒng)的計算機語言，是EDA 技術的重要組成成分，英文全名是 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language，它用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結構和連接形式，與傳統(tǒng)的門級描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設計。例如一個 32 位的加法器，利用圖形輸入軟件需要輸人 500 至1000 個門，而利用 VHDL 語言只需要書寫一行“A＝B＋C”即可。而且 VHDL語言可讀性強，易于修改和發(fā)現錯誤，具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數字系統(tǒng)進行建模和描述，從而大大簡化了硬件設計任務，提高了設計效率和可靠性，是本課題設計過程中所使用的硬件描述語言。VHDL 支持各種模式的設計方法：自頂向下與自底向上或混合方法 [5]。自5底向上的設計方法是一種低效、低可靠性、費時費力且成本高昂的設計方法。而在 EDA 技術應用中，自頂向下的設計方法，就是在整個設計流程中各設計環(huán)節(jié)逐步求精的過程，是其首選設計方法。應用 VHDL 進行自頂向下的設計，就是使用 VHDL 模型在所有綜合級別對硬件設計進行說明、建模和仿真測試。流程如圖 11 所示：建立 VHDL 行為模型設計說明書VHDL 行為仿真VHDLRTL 級建模邏輯綜合前端功能仿真測試向量生成功能仿真門級時序仿真結構綜合硬件測試設計完成圖 11 自頂向下的設計流程VHDL 還具有以下優(yōu)點： 的寬范圍描述能力使它成為高層次設計的核心，將設計人員的工作重心提高到了系統(tǒng)功能的實現與調試，而花較少的精力于物理實現。 可以用簡潔明確的代碼描述來進行復雜控制邏輯的設計，靈活且方便，而且也便于設計結果的交流、保存和重用。 的設計不依賴于特定的器件，方便了工藝的轉換。 是一個標準語言，為眾多的 EDA 廠商支持，因此移植性好。 綜上所述，EDA 技術是電子設計領域的一場革命，目前正處于高速發(fā)展階段，每年都有新的 EDA 工具問世。廣大電子工程人員掌握這一先進技術，這不僅是提高設計效率的需要，更是我國電子工業(yè)在世界市場上生存、競爭與發(fā)展的需要。 EDA 技術發(fā)展歷程EDA 技術已有 30 年的發(fā)展歷程，大致可分為三個階段。70 年代為計算機6輔助設計（CAD） （Computer Aided Design ）階段，人們開始用計算機輔助進行IC 版圖編輯、PCB 布局布線，取代了手工操作。80 年代為計算機輔助工程（CAE）(Computer Aided Engineering)階段。與 CAD 相比，CAE 除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設計和結構設計，并且通過電氣連接網絡表將兩者結合在一起，實現了工程設計。CAE 的主要功能是：原理圖輸人，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB 后分析。90 年代為電子系統(tǒng)設計自動化（EDA ） （Electronic System Design Automation） 階段。 CAD 階段20 世紀 70 年代，隨著中、小規(guī)模集成電路的開發(fā)和應用，傳統(tǒng)的手工制圖設計印刷電路板和集成電路的方法已無法滿足設計精度和效率的要求，于是工程師們開始進行二維平面圖形的計算機輔助設計，這樣就產生了第一代 EDA工具，設計者也從繁雜、機械的計算、布局和布線工作中解放了出來。但在EDA 發(fā)展的初始階段，一方面計算機的功能還比較有限，個人計算機還沒有普及；另一方面電子設計軟件的功能也較弱，人們主要是借助與計算機對所設計電路的性能進行一些模擬和預測。此處就是完成印刷電路板的布局布線、簡單版圖的繪制等工作。例如，目前常用的 PCB 布線軟件 Protel 的早期版本Tango、用于電路模擬的 SPICE 軟件以及后來產品化的 IC 版圖編輯與設計規(guī)則檢查系統(tǒng)等軟件，都是這個時期的產品。20 世紀 80 年代初，隨著集成電路規(guī)模的快速增大，EDA 技術有了較快的發(fā)展。更多的軟件公司，如當時的 Mentor 公司、 Daisy Systems 及 Logic System公司等相繼進入 EDA 領域，開始提供帶電路圖編輯工具和邏輯模擬工具的EDA 軟件，主要解決了設計之前的功能檢驗問題?？偟膩碚f，這一階段的 EDA 水平還很低，對設計工作的支持十分有限，主要存在兩個方面的問題需要解決。 軟件的功能單一、相互獨立。這個時期的 EDA 工具軟件都是分別針對設計流程中的某個截斷開發(fā)的，一個軟件只能完成其中一部分工作，所以設計者不得不在設計流程的不同階段分別使用不同的 EDA 軟件包。然而，由于不同的公司開發(fā)的 EDA 工具之間兼容性較差，為了使設計流程前一級軟件的輸出結果能夠被后一級軟件接收，就需要人工處理或再運行另外的轉換軟件，這往7往很復雜，勢必影響設計的速度。，不能提供系統(tǒng)級的仿真和綜合，所以設計中的錯誤往往只能在產品開發(fā)的后期才能被發(fā)現，這時再進行修改十分困難。 CAE 階段 進入 20 世紀 80 年代以后，隨著集成電路規(guī)模的擴大及電子系統(tǒng)設計的逐步復雜，使得電子設計自動化的工具逐步完善和發(fā)展，尤其是人們在設計方法學、設計工具集成化方面取得了長足的進步。各種設計工具，如原理圖輸入、編譯與連接、邏輯模擬、邏輯綜合、測試碼生成、版圖自動布局以及各種單元庫均已齊全。不同功能的設計工具之間的兼容性得到了很大改善，那些不走兼容道路、想獨樹一幟的 CAD 工具受到了用戶的抵制，逐漸被淘汰。EDA 軟件設計者采用統(tǒng)一數據管理技術，把多個不同功能的軟件結合成一個集成設計環(huán)境。按照設計方法學制定的設計流程，在一個集成的設計環(huán)境中就能實現由寄存器傳出級（Register Transfer Level，RTL）開始，從設計輸入到版圖輸出的全程設計自動化。在這個階段，基于門陣列和標準單元庫設計的半定制 ASIC 得到了極大的發(fā)展，將電子系統(tǒng)設計推入了 ASIC 時代。但是，大部分從原理圖出發(fā)的 CAE 工具仍然不能適應復雜電子系統(tǒng)的要求，而且具體化的元件圖形也制約著優(yōu)化設計。 EDA 階段20 世紀 90 年代以來，繼承電路技術以驚人的速度發(fā)展，其工藝水平已經達到了深亞微米級，在一個芯片上已經可以集成上百萬、上千萬乃至上億個晶體管，芯片的工作頻率達到了 GHz 級。這不僅為片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）的實現提供了可能，同時對電子設計的工具提出了更高的要求，促進了 EDA 技術的發(fā)展。在這一階段，出現了以硬件描述語言、系統(tǒng)級仿真和綜合技術為基本特征的第三代 EDA 技術，它使設計師們擺脫了大量的具體設計工作，而把精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念構思上，從而極大地提高了系統(tǒng)設計的效率，縮短了產品的研制周期。EDA 技術在這一階段的發(fā)展主要有以下幾個方面：8 這是現代 EDA 技術的基本特征之一，并且已經形成了 V