【文章內(nèi)容簡介】 的非易失器件系列面向蜂窩手機(jī)設(shè)計等通用低密度邏輯應(yīng)用。不但具有傳統(tǒng)CPLD設(shè)計的低成本特性，MAX II CPLD還進(jìn)一步提高了高密度產(chǎn)品的功耗和成本優(yōu)勢，這樣，您可以使用MAX II CPLD來替代高功耗和高成本ASSP以及標(biāo)準(zhǔn)邏輯CPLD。MAX II 器件系列的高級特性MAX II CPLD支持高級功能集成，以降低系統(tǒng)設(shè)計成本。這一部分介紹MAX II CPLD的高級特性。低功耗十分之一的功耗 ( MAX器件相比)，提高可靠性。CPLD業(yè)界最低的待機(jī)規(guī)范，大大延長了電池供電時間。自動啟動/停止功能，CPLD不使用時關(guān)斷。低成本體系結(jié)構(gòu)以一半的價格實現(xiàn)四倍的密度 (和前一代 MAX 器件相比)通過設(shè)計，減小了管芯面積，單位I/O引腳成本在業(yè)界是最低的。高性能支持高達(dá)300 MHz的內(nèi)部時鐘頻率性能加倍( MAX器件相比 )。獨(dú)特的特性板上振蕩器和用戶閃存不需要分立振蕩器或者非易失存儲器，減少了芯片數(shù)量。實時在系統(tǒng)可編程能力(ISP)器件工作時，可下載第二個設(shè)計。降低了遠(yuǎn)程現(xiàn)場更新的成本。靈活的MultiVolt內(nèi)核、簡化了電路板設(shè)計。并行閃存加載程序宏功能提高了板上不兼容JTAG閃存的配置效率通過MAX II 器件實現(xiàn)JTAG命令，簡化了電路板管理。I/O能力MultiVolt I/、可編程擺率和可編程驅(qū)動能力提高了信號完整性。使用方便的軟件Altera免費(fèi)的Quartus174。 II 網(wǎng)絡(luò)版軟件支持所有的MAX II CPLD，優(yōu)化了引腳鎖定適配，提高了性能。Quartus II 軟件中新的MAX+PLUS174。 II “l(fā)ookandfeel”選項增強(qiáng)了軟件的易用性。根據(jù)任務(wù)要求：芯片選擇：CPLD中的MAX II某種芯片；邏輯工作電壓：DC5V，驅(qū)動電壓12V使用環(huán)境：20～85℃。我們選擇了Altera公司生產(chǎn)的CPLD器件MAX II 系列中的AT488芯片進(jìn)行本次設(shè)計的芯片。 步進(jìn)電機(jī)的介紹與選擇步進(jìn)電動機(jī)是一種能將數(shù)字的電脈沖轉(zhuǎn)換成模擬的輸出軸運(yùn)動的理想數(shù)字控制元件。它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中經(jīng)常用作開環(huán)的運(yùn)動控制因為它具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作可靠、維修容易等一系列優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)。它采用變磁阻原理產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將數(shù)字電脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬的輸出軸運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸以等增量的轉(zhuǎn)角響應(yīng)輸入脈沖序列。當(dāng)控制合適時，每輸入一個脈沖，它向前轉(zhuǎn)動一步。輸出步數(shù)等于輸入脈沖個數(shù)，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。1）概況 　　步進(jìn)電機(jī)是一種以數(shù)字脈沖信號控制的電機(jī)裝置，將相對的信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅男D(zhuǎn)角度，每一個基本旋轉(zhuǎn)角度稱為一個步進(jìn)角度，此為步進(jìn)電機(jī)名稱的由來，因此它可以做精確的定位。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。其主要特性如下：(1)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖數(shù)成比例，角度的誤差小，而且不會產(chǎn)生累積的誤差。(2)可以數(shù)字脈沖控制信號做開路方式控制，避免使用復(fù)雜的反饋控制電路，降低系統(tǒng)制作成本。(3)利用輸入脈沖的頻率高低即可做轉(zhuǎn)速的調(diào)整。(4)電機(jī)的啟動、停止、加速、減速、正反轉(zhuǎn)反應(yīng)快，容易控制。(5)直接連至負(fù)載如輪子，做超低速同步運(yùn)轉(zhuǎn)。(6)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，幾乎不需要太多的保養(yǎng)，使用壽命長。2）參數(shù)　　電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，176。/176。（176。、176。），這個步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)?！　〔竭M(jìn)馬達(dá)的相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)馬達(dá)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，176。/176。、176。/176。、176。/176。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)馬達(dá)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）：是指步進(jìn)馬達(dá)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)馬達(dá)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)馬達(dá)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)馬達(dá)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)馬達(dá)最重要的參數(shù)之一。比如?！　ETENTTORQUE：是指步進(jìn)馬達(dá)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。3）特點(diǎn)　　1．一般步進(jìn)馬達(dá)的精度為步進(jìn)角的35%，且不累積?！　?．步進(jìn)馬達(dá)外表允許的最高溫度較低?！　〔竭M(jìn)馬達(dá)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)馬達(dá)外表溫度在攝氏8090度完全正常。　　3．步進(jìn)馬達(dá)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?！　‘?dāng)步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或角速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。　　4．步進(jìn)馬達(dá)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?！　〔竭M(jìn)馬達(dá)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)馬達(dá)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進(jìn)馬達(dá)需要與其配套的伺服電機(jī)驅(qū)動器才能工作，它的最大特點(diǎn)是定位精確。因為這些特點(diǎn)，步進(jìn)馬達(dá)在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)馬達(dá)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)馬達(dá)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計要求我們選擇了，步距角為3176。、工作電壓為12V的三相步進(jìn)電機(jī)作為本次設(shè)計的電機(jī)。5）分類（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VAriABle ReluCtAnCe，簡稱 VR）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型。 （二）永磁式步進(jìn)電機(jī)（PermAnent Magnet）,簡稱PM, 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進(jìn)角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率?。ㄏ啾确磻?yīng)式），但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。（三）混合式步進(jìn)電機(jī)（HyBrid，簡稱 HB）混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機(jī)設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。6）選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。 步距角的選擇 　　電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。（五相電機(jī)）、（二、四相電機(jī)）、（三相電機(jī)）等。 靜力矩的選擇 　　步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： 　　P= ΩM Ω=2πn/60 P=2πnM/60 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米 　　P=2πfM/400(半步工作） 　其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)7) 相步進(jìn)電機(jī)的介紹根據(jù)以上的幾點(diǎn)，在本次設(shè)計中我們選擇的是四相步進(jìn)電機(jī)。我們以下來介紹四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理：該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖41是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖41 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。所以選擇混八拍工作方式單四拍、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍42 步進(jìn)電機(jī)工作時序波形圖 控制電路設(shè)計控制電路包括CPU、復(fù)位電路、電源電路、時鐘電路、按鍵部分，圖見附錄A。 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)簡介：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ABBCCDDAAB。），八拍（AABBBCCCDDDAA。） 驅(qū)動芯片ULN2003簡介 ULN2003 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅NPN 復(fù)合晶體管組成。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載。 輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。圖43 ULN2003實物圖 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路及原理圖44步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路及原理CPLD采用Altera公司MAX7000系列的EPM7128SLC8415。驅(qū)動電路原理圖如上圖。CPLD 輸出控制信號連接至圖上的A、B、C、D四個端口。其控制信號經(jīng)光電隔離后進(jìn)入ULN2003A。ULN2003A是一片集成了7 個達(dá)林頓管的芯片。來自光耦合的5V 高電平信號經(jīng)過ULN2003A以后，輸出端與地導(dǎo)通。步進(jìn)電