【文章內(nèi)容簡介】 HDL 和Verilog－HDL 兩種硬件描述語言，它們都符合 IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會）標準，均能支持系統(tǒng)級、算法級、RTL 級（又稱數(shù)據(jù)流級）和門級各個層次的描述或多個不同層次的混合描述，設計的領域有行為描述和結(jié)構(gòu)描述兩種形式。硬件描述與實現(xiàn)工藝無關(guān)，而且還支持不同層次上的綜合與仿真。硬件描述語言的使用，規(guī)范了設計文檔，便于設計的傳遞、交流、保存、修改及重復使用。所謂綜合，就是由較高層次描述到低層次描述，由行為描述到結(jié)構(gòu)描述的轉(zhuǎn)換過程。仿真是在電子系統(tǒng)設計過程中對設計者的硬件描述或設計結(jié)果進行查錯、驗證的一種方法。對應于不同層次的硬件描述，有不同級別的綜合與仿真工具。高層次的綜合與仿真將自動化設計的層次提高到了算法行為級，使設計者無需面對低層電路，而把精力集中到系統(tǒng)行為建模和算法設計上，而且可以幫助設計者在最早的時間發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤，從而大大縮短了設計周期。平面規(guī)劃技術(shù)對邏輯綜合和物理版圖設計進行聯(lián)合管理，做到在邏輯綜合早期設計階段就考慮到物理設計信息的影響。通過這些信息，可以再進一步對設計進行綜合和優(yōu)化，并保證不會對版圖設計帶來負面的影響。這在深亞微米級時代，布線時延已經(jīng)成為主要延時的情況下，對加速設計過程的收斂與成功是有所幫助的。在 Synopsys 和 Cadence 等著名公司的 EDA 系統(tǒng)中都采用了這項技術(shù)。隨著 ASIC 規(guī)模和復雜性的增加，測試的難度和費用急劇上升，由此產(chǎn)生了將可測試性電路結(jié)構(gòu)做在 ASIC 芯片上的思想，于是開發(fā)出了掃描插入、內(nèi)建自測試（BIST）和邊界掃描等可測試性設計（DFT ）工具，并已集成到 EDA系統(tǒng)中。如 Compass 公司的 Test Assistant 和 Mentor Graphics 公司的 LBLST Achitect、BSD Achitect 和 DFT Advistor 等。、標準化框架結(jié)構(gòu)的集成設計環(huán)境和并行設計工程近年來，隨著硬件描述語言等設計數(shù)據(jù)格式的逐漸標準化，不同設計風格9和應用的要求使得有必要建立開放性、標準化的 EDA 框架。所謂框架，就是一種軟件平臺結(jié)構(gòu)，為 EDA 工具提供操作環(huán)境?？蚣艿年P(guān)鍵在于建立與硬件平臺無關(guān)的圖形用戶界面以及工具之間的通信、設計數(shù)據(jù)和設計流程的管理等，此外包還括各種與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的服務項目。任何一個 EDA 系統(tǒng)只要建立一個符合標準的開放式框架結(jié)構(gòu)，就可以接納其他廠商的 EDA 工具一起進行設計工作。這樣，框架作為一套使用和配置 EDA 軟件包的規(guī)范，就可以實現(xiàn)各種 EDA 工具間的優(yōu)化組合，并集成在一個易于管理的統(tǒng)一環(huán)境下，實現(xiàn)資源共享。針對當前電子設計中數(shù)字電路與模擬電路并存、硬件設計與軟件設計并存以及產(chǎn)品更新?lián)Q代快的特點，并行設計工程要求一開始就從管理層次上把工藝、工具、任務、智利和時間安排協(xié)調(diào)好。在統(tǒng)一的集成設計環(huán)境下，由若干相關(guān)設計小組共享數(shù)據(jù)庫和知識庫，同步進行設計。 本章小結(jié)本章詳細地介紹了 EDA 技術(shù)的概念，VHDL 硬件描述語言的使用及其優(yōu)勢，論述了 EDA 技術(shù)的發(fā)展歷程。EDA 技術(shù)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。EDA 技術(shù)在仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷電路板設計及操作平臺的擴展等方面都面臨著新的、巨大的挑戰(zhàn)，這些問題實際上也是新一代 EDA 技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。廣大電子工程人員掌握這一先進技術(shù)，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。 10第 2 章 硬件 GW48PK2 介紹 GW48PK2 的主要結(jié)構(gòu)本課題的硬件環(huán)境是 GW48PK2 系統(tǒng), 如圖 21 所示。本課題的控制對象即為 GW48PK2 系統(tǒng)左上角步進電機?，F(xiàn)對其進行大概介紹。圖 21 GW48PK2 實驗系統(tǒng) 12 種不同的實驗電路結(jié)構(gòu)，即板子具有多功能重配置結(jié)構(gòu)。，將下載線與計算機的并行接口相連，這樣編輯好的文件就可以通過此接口下載到目標芯片中。 1～鍵 8 為實驗信號控制鍵，此 8 個鍵受“多任務重配置”電路控制，它在每一張電路圖中的功能及其與主系統(tǒng)的連接方式隨模式選擇鍵的選定的模式而變。 FPGA/CPLD 萬能接插口，能自動識別 6 大 FPGA/CPLD 公司的產(chǎn)品，即能對這些公司的 FPGA/CPLD 都可進行實驗開發(fā)，如11Altera、 Xilinx、Lattice、Vantis、Atmel 等。 1Hz—50MHz 范圍的標準時鐘源。位于主系統(tǒng)的右下側(cè)，通過短路帽的不同接插方式，使目標芯片獲得不同的時鐘頻率信號。“AINO”和“AINI”進入 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的輸入通道 INO 和 INI，ADC0809 與目標芯片直接相連，通過適當?shù)脑O計，目標芯片可以完成對 ADC0809 的工作方式確定、輸入端口選擇、數(shù)據(jù)采集與處理等所有控制工作，并可通過系統(tǒng)板提供的譯碼顯示電路，將測得的結(jié)構(gòu)顯示出來。 VGA、UART、FPGA/ 單片機等接口。 120M 的高度 D/A，一路 20M 的 A/D 和 3dB 帶寬大于 260MHz 高運放。 [4]。、PS/2 與并行通信接口電路 [4]。GW48PK2 系統(tǒng)使用注意事項: GW48PK EDA 系統(tǒng)時，關(guān)閉電源，拔下電源插頭！??！ ，當選中某種模式后，要按一下右側(cè)的復位鍵，以使系統(tǒng)進入該模式工作。，不要插反或插錯，也不要帶電插拔，確信插對后才能開電源。其它接口都可帶電插拔（當適配板上的 10 芯座處于左上角時，為正確位置） 。 CPLD（如 1032E/1048C、95108 或 7128S 等）下載時。最好將系統(tǒng)的電路“模式”切換到“ b” ，以便使工作電壓盡可能接近 5V。 實驗電路結(jié)構(gòu)上節(jié)已經(jīng)介紹通過模式選擇鍵能使實驗板產(chǎn)生 12 種不同的電路結(jié)構(gòu)，由于種類比較多，這里只介紹本課題用到的模式 5，結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。其中： CLOCK0 為步進電機速度控制時鐘；CLOCK5 為 PWM 控制時鐘；12鍵 8 為步進電機正反轉(zhuǎn)控制鍵；鍵 7 為步進電機細分/非細分選擇鍵。圖 22 模式 5 結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié)本章介紹了實驗板 GW48PK2 的結(jié)構(gòu)，并特別介紹了本課題用到的模式 5的結(jié)構(gòu)圖，為后面實現(xiàn)電路功能提供了硬件知識。GW48PK2 具有多任務重配置電路系統(tǒng)，該電路結(jié)構(gòu)由 CPLD 和單片機聯(lián)合控制，能僅通過一個鍵，完成純電子切換的方式選擇 12 種不同的實驗系統(tǒng)硬件電路連接結(jié)構(gòu)，大大提高了實驗系統(tǒng)的連線靈活性，但又不影響系統(tǒng)的工作速度 [7]。同時它又可以配不同規(guī)模的適配板。這些都為我們實現(xiàn)電路功能提供了很大的方便。13第 3 章 步進電機工作原理及其細分驅(qū)動控制器的設計 步進電機特點及其工作原理步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移的特殊電機，每改變一次通電狀態(tài)，步進電機的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一步。目前大多數(shù)步進電機控制器需要主控制器發(fā)送時鐘信號，并且要至少一個 I／O 口來輔助控制和監(jiān)控步進電機的運行情況。在單片機或 DSP 的應用系統(tǒng)中，經(jīng)常配合 CPLD 或者 FPGA 來實現(xiàn)特定的功能。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合對數(shù)字系統(tǒng)的控制。 步進電機的工作特點步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定 [8]。步進電機在單單僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須透過脈波產(chǎn)生器提供位置(脈波數(shù))、速度的脈波信號指令，以及驅(qū)動器驅(qū)動電流流過電機內(nèi)部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機運轉(zhuǎn)。所以欲使步進電機動作的必要系統(tǒng)組成有：：給予角度(位置移動量)、動作速度及運轉(zhuǎn)方向之脈沖信號的電機驅(qū)動指令。：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅(qū)動步進電機動作。 ：提供轉(zhuǎn)矩動力輸出來帶動負載。所以步進電機系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應器(ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機)、位置傳感器(SENSOR)，即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制。步進電機還有著以下優(yōu)點：14：步進電機最大特征即是能夠簡單的做到高精度的定位控制。以 5 相步進電機為例：其定位基本單位(分辨率)為 176。(全步級 )/176。(半步級)，是非常小的；停止定位精度誤差皆在177。3 分(177。176。)以內(nèi)，且無累計誤差，故可達到高精度的定位控制 (步進電機的定位精度是取決于電機本身的機械加工精度) 。：步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進而得到靈活的角度控制(位置控制)，并可得到與該脈沖信號周波數(shù)(頻率)成比例的回轉(zhuǎn)速度。：步進電機在停止狀態(tài)下(無脈波信號輸入時)，仍具有激磁保持力，故即使不依靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。：步進電機因為加速性能優(yōu)越,所以可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。、不必依賴傳感器定位：步進電機的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應器(ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機)及位置傳感器(SENSOR)，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。：步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。：使用步進電機裝置與使用離合器、減速機及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進電機的故障及誤動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時也較簡單容易。、高功率：步進電機體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。15 步進電機的控制原理步進電機是一種離散運動的裝置,步進電機驅(qū)動器通過外加控制脈沖,并按環(huán)形分配器決定的分配方式,控制步進電機各相繞組的導通或截止,從而使電機產(chǎn)生步進運動 [9]。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由各類控制器來產(chǎn)生。其基本原理作用如下：步進電機正、反轉(zhuǎn)控制:步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，四相雙四拍步進電機通電順為 AB—BC—CD—DA—AB……時電機正轉(zhuǎn)；當繞組按 AD—DC—CB—BA—AD……順序通電時電機反轉(zhuǎn)．因此，可以通過PLC 輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。步進電機運動速度的控制：步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速，從圖31 可以看出，當改變輸入脈沖的周期時，A、B、 C、D 四相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化。這就導致通電和斷電變化的速率發(fā)生變化，使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。所以調(diào)節(jié)輸入脈沖的周期就可以控制步進電機的運動速度。圖 31 脈沖分配波形圖步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動, 這種裝置就是步進電機驅(qū)動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控16制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩；提高了電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。 以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 因此，在性能上的優(yōu)點是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅(qū)動器要精確控制電機的相電流，所以對驅(qū)動器要有相當高的技術(shù)要求。 步進電機細分驅(qū)動控制器的設計 步進電機細分驅(qū)動原理步進電機的驅(qū)動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流，實現(xiàn)步進電機內(nèi)部磁場合成方向的變化來使步進電機轉(zhuǎn)動的。設矢量 TA、T B、T C、T D為步進電機 A、B、C 、D 四相勵磁繞組分別通電時產(chǎn)生的磁場矢量；TAB、T BC、T CD、T DA 為步進電機中 AB、BC 、CD、DA 兩相同時通電產(chǎn)生的合成磁場矢量。當給步進電機的 A、B、C、D 四相輪流通電時，步進電機的內(nèi)部磁場從 TA→ TB→T C→T D,即磁場產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。一般地，當步進電機的內(nèi)部磁場變化一周（360 。 ）時，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，因此，步進電機的步距角θ B 可表示為： （31）rMBN??式中，N r 為步進電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θ M 為步進電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。θ M 與電機的相數(shù)（M）和電機的運行拍數(shù)有關(guān)。當電機以單四拍方式運行時，θ M=90。 ；當電機以四項八拍方式運行時， θ M=45。 。和單四拍方式相比，θ M 和 θ B 都減小了一倍，實現(xiàn)了步距角的二細分。但是在通常的步進電機驅(qū)動線路中，由于通過各相繞組的電流是個開關(guān)量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應的各繞組產(chǎn)生的磁場也是一個開關(guān)量，只能17通過各項的通電組合來減小 θ M 和 θ B。因此，這樣可達到的細分數(shù)很有限。以四相反應式步進電機為例，最多只能實現(xiàn)二細分，對于相數(shù)較多的步進電機可達到的細分數(shù)稍大一些，但也很有限。因此，要使可達到的細分數(shù)較大，就必須能控制步進電機各相勵磁繞組中的電流，使其