【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動(dòng)下一步步的進(jìn)行。而基于FPGA則是把相應(yīng)的邏輯暫時(shí)“固化”為硬件電路了，它對激勵(lì)作出的響應(yīng)速度就是電信號的傳播速度，當(dāng)然這指的是“異步邏輯”。 硬件設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中我們選用的步進(jìn)電機(jī)型號為TS3103TC100 3的和型號為 EP1K10T100 3的FPGA——現(xiàn)場可編程門陣列，來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制。驅(qū)動(dòng)則選用復(fù)合晶體管IC—ULN2003，下面就硬件組成各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 硬件介紹步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以選用專用的驅(qū)動(dòng)模塊，如 L 298，F(xiàn)T 5754等，這類驅(qū)動(dòng)模塊接口簡單，操作方便，他們既可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)也可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，本設(shè)計(jì)中我們使用“達(dá)林頓”驅(qū)動(dòng)器ULN2003。ULN2003具有電流增益高，溫度范圍寬，帶負(fù)載能力強(qiáng)，工作電壓高等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。下面先介紹一下ULN2003芯片。、：該芯片是16腳七路電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，分直插式和貼片式。： ULN2003芯片 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu) ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ULN2003引腳端符號及功能引腳端序號符號功能引腳端序號符號功能11B輸入9COM公共端22B輸入107C輸出33B輸入116C輸出44B輸入125C輸出55B輸入134C輸出66B輸入143C輸出77B輸入152C輸出8E發(fā)射極161C輸出 。步進(jìn)電機(jī)不像普通電機(jī)和直流電機(jī)一樣可以在常規(guī)狀態(tài)下使用。所以設(shè)計(jì)其電路時(shí)必須由雙環(huán)形脈沖信號和功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)。如前面介紹它有A 、B、 4條信號引線,通過控制這4條引線上脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖 型號TS3103TC1003步距角相數(shù)4電壓24V電流最大靜轉(zhuǎn)矩尺寸 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)以及常見問題1 .步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo) ⑴ 相數(shù)——電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)。目前有二相、三相、四相以及五相步進(jìn)電機(jī)。相數(shù)不同，“步距角”也不同。 ⑵ 步距角——系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。本設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)的“步距角”176。 ⑶ 拍數(shù)——電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)“步距角”所需的脈沖數(shù)。如本設(shè)計(jì)使用的四相步進(jìn)電機(jī)，有以四相4拍方式運(yùn)行，即AB—BC—CD—DA—AB；還有四相8拍運(yùn)行方式，A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A。 ⑷ 定位轉(zhuǎn)矩——電機(jī)在截止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)頭自身的鎖定力矩。 ⑸ 步距角精度——步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)“步距角”的實(shí)際值與理論值的誤差。誤差/步距角*100%，4拍運(yùn)行時(shí)在5%以內(nèi)，8拍在15%之內(nèi)。 ⑹ 失步——電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)與理論步數(shù)不符，稱為“失步（丟步）”。 ⑺ 失調(diào)角——轉(zhuǎn)子齒軸線偏與定子齒軸線之間的角度，這個(gè)角度是不可避免的。2. 常見問題⑴ 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合，每分鐘轉(zhuǎn)速不能超過1000轉(zhuǎn)，此狀態(tài)下的步進(jìn)電機(jī)效率高、噪音小。⑵ 步進(jìn)電機(jī)的“動(dòng)態(tài)力矩”取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流。電流越大，電機(jī)輸出力矩也越大。⑶ 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)速度不能太高否則無法啟動(dòng)且有嗡鳴聲。⑷ 步進(jìn)電機(jī)最好使用半步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。⑸ 步進(jìn)電機(jī)外表允許溫度范圍在80176?！?0176。之間。 FPGA邏輯功能結(jié)構(gòu)及其總體設(shè)計(jì)為了簡化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大量邏輯電路的集成，在設(shè)計(jì)中使用了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件（FPGA）。FPGA主要實(shí)現(xiàn)以下邏輯功能：定時(shí)脈寬門控、計(jì)數(shù)測量、地址鎖存、譯碼、總線的驅(qū)動(dòng)和擴(kuò)展以及數(shù)碼顯示的控制等功能。FPGA器件選擇Altera公司的EPF10K10LC844芯片。該芯片有576個(gè)邏輯元件、72個(gè)LAB/CLB、3萬多個(gè)邏輯門、6144個(gè)RAM。每個(gè)I/O引腳可以選擇為集電極開路輸出，可以通過編程控制每個(gè)I/O引腳的速度以及I/O寄存器的使用。FPGA按邏輯功能塊的基本邏輯構(gòu)造單元的大小，可分為細(xì)粒度結(jié)構(gòu)和粗粒度結(jié)構(gòu)；按互連結(jié)構(gòu)根據(jù)FPGA內(nèi)部的連線結(jié)構(gòu)的不同，分為分段互連型和連續(xù)互連型兩類；按編程特性根據(jù)采用的開關(guān)元件的不同，可分為一次編程型和可重復(fù)編程型。 FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。 FPGA使用的開發(fā)軟件為QuartusII，該軟件屬于MAX+PLUS II的升級版，性能方面得到更好的優(yōu)化，深受用戶的喜愛，它是Altera公司的綜合FPGA開發(fā)軟件。該軟件是一個(gè)支持原理圖、VHDL設(shè)計(jì)輸入、編譯仿真集成環(huán)境。QuartusII可以在計(jì)算機(jī)各種系統(tǒng)中完美運(yùn)行，提供了自動(dòng)邏輯綜合工具，具有數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的全部特性。 FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)過4個(gè)基本階段：設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)編譯、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和器件編程。首先，根據(jù)系統(tǒng)的邏輯功能生成頂層結(jié)構(gòu)圖。然后，分成幾個(gè)小模塊進(jìn)行下一級設(shè)計(jì)，各模塊都必須嚴(yán)格由上而下分析其邏輯功能，從底層進(jìn)行設(shè)計(jì)編譯，每一級都進(jìn)行波形驗(yàn)證。當(dāng)最后頂層模塊的邏輯功能在波形仿真中滿足系統(tǒng)時(shí)序要求時(shí)，才可進(jìn)行器件編程。這里主要使用QuartusII的TIMER進(jìn)行波形仿真，來驗(yàn)證各子模塊的功能。[[] [M] 《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》.2002年.]由于FLEX10K在工作期間，將配置數(shù)據(jù)保存在SRAM中，而SRAM數(shù)據(jù)是易丟失的。SRAM單元必須在器件加電后裝入配置數(shù)據(jù)，且配置完成后，它的存儲器和I/O引腳必須被初化。初始化后，器件進(jìn)入用戶模式，開始系統(tǒng)運(yùn)行。第3章 程序設(shè)計(jì) 硬件描述語言VHDL硬件描述語言是EDA技術(shù)的重要組成部分，是EDA各種描述方法中最能體現(xiàn)EDA優(yōu)越性的描述方法。EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)就是在計(jì)算機(jī)的輔助下完成電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，是立足于計(jì)算機(jī)工作平臺開發(fā)出來的一整套先進(jìn)的設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的軟件工具。其技術(shù)范疇包括：PCB設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、PLD設(shè)計(jì)、IC版圖設(shè)計(jì)。在EDA工作軟件上，設(shè)計(jì)者使用VHDL硬件描述語言用語句表示輸入輸出的邏輯關(guān)系，將程序輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯。VHDL是電子設(shè)計(jì)的主流硬件描述語言。 VHDL語言的特點(diǎn)VHDL語言作為用普通文本形式設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化硬件描述語言，主要描述的是系統(tǒng)的行為結(jié)構(gòu)，接口和功能，其描述風(fēng)格和語法與計(jì)算機(jī)高級語言非常類似。硬件描述語言的基本特點(diǎn)就是，將設(shè)計(jì)項(xiàng)目（或稱設(shè)計(jì)實(shí)體）分為內(nèi)（不可視部分、內(nèi)部功能、算法）、外（可視部分、端口）兩部分。當(dāng)然，作為硬件描述語言中被廣泛應(yīng)用的VHDL語言，相比之下具備了很多其他描述語言不具備的優(yōu)點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：⑴ VHDL作為硬件描述語言的第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，其具備了很強(qiáng)的可移植能力。對于同種硬件電路的VHDL語言，它可以從一個(gè)工作平臺移植到另一個(gè)平臺上執(zhí)行。⑵ VHDL語言功能強(qiáng)大，其設(shè)計(jì)方案具有多樣性，設(shè)計(jì)效率高。VHDL具有強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu)，只需用簡單的語言程序就可以描述復(fù)雜的硬件電路。此外，它還具有多層次電路設(shè)計(jì)功能，VHDL 語言能夠同時(shí)支持同步/異步電路的設(shè)計(jì)。 ⑶ VHDL 語言設(shè)計(jì)靈活，修改方便。既支持模塊化設(shè)計(jì), 也支持層次化設(shè)計(jì)，可將大項(xiàng)目分解成若干小項(xiàng)目去設(shè)計(jì)，同時(shí)，也便于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的交流，保存，重用。 ⑷ VHDL語言系統(tǒng)硬件描述能力強(qiáng)，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。由于其設(shè)計(jì)層次較高，可描述系統(tǒng)電路，也可描述邏輯門電路。既可單獨(dú)采用寄存器傳輸描述、結(jié)構(gòu)描述 , 也可以采用三者的混合描述方式。 ⑸ 具有豐富的數(shù)據(jù)類型和庫函數(shù)。用戶可根據(jù)需求對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行自定義，同時(shí)可以隨之對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，這樣對硬件設(shè)計(jì)提供了較大方便。[[] [M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.] ⑹ VHDL的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)。設(shè)計(jì)人員不用首先考慮設(shè)計(jì)時(shí)要用到的器件。這樣做的好處是可以