【正文】 編譯和綜合 邏輯功能仿真 布局布線 系統(tǒng)時(shí)延 仿真 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 下載到 FPGA器件上進(jìn)行硬件功能驗(yàn)證 中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 41 頁(yè) 還可以?xún)?nèi)嵌 Mentor Graphics 公司的 Leonardo Spectrum 和 Synplicity 公司的Synplify，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接。 圖 ISE軟件的設(shè)計(jì)流程 （ 1） Xilinx 公司 ISE 軟件主要功能介紹 ： ISE的主要功能包括設(shè)計(jì)輸入、綜合、仿真、實(shí)現(xiàn)和下載，涵蓋了可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，從功能上講，完成 CPLD/FPGA 的設(shè)計(jì)流程無(wú)需借助任何第三方EDA軟件。時(shí)延仿真沒(méi)有中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 41 頁(yè) 錯(cuò)誤后，將電路轉(zhuǎn)化成 Bit文件下載到 FPGA器件上實(shí)現(xiàn)其功能，再進(jìn)行硬件功能 驗(yàn)證。整個(gè)設(shè)計(jì)的流程是：先用 ISE軟件的文本編輯功能編寫(xiě) Verilog HDL源程序，并進(jìn)行編譯和綜合。目前大多數(shù) FPGA 芯片均采用 ISP 編程技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)集成的編程方式 在現(xiàn)場(chǎng)可編程集成電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，針對(duì)具體目標(biāo)器件，需要不同的編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)字系統(tǒng)的下載。要成功地進(jìn)行 FPGA 應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，至少需要兩次仿真。在整個(gè)過(guò)程中，要運(yùn)行一系列方程式去進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，完成邏輯圖 網(wǎng)表文件 Bit 文件的轉(zhuǎn)換，從而在實(shí)現(xiàn)邏輯分區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成優(yōu)化的布局和布線。 （ 2）設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 （ 1）設(shè)計(jì)的輸入過(guò)程。 對(duì)于利用現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的單片化，其基本要素是 : (1)現(xiàn)場(chǎng)集成的目標(biāo)載體一現(xiàn)場(chǎng)可編程器件； (2)現(xiàn)場(chǎng)集成的設(shè)計(jì)工具及 PI 庫(kù)資源； (3)針對(duì)具體目標(biāo)器件的不同編程方式 [8][9][10][11]。 (3)源代碼仿真； (4)設(shè)計(jì)綜合，設(shè)計(jì)優(yōu)化和設(shè)計(jì)的布局布線； (5)布局布線后的設(shè)計(jì)模塊仿真； (6)器件編程。∥調(diào)入二輸入與門(mén)，名字為 c2 ③用“ always”過(guò)程塊賦值 基本結(jié)構(gòu)如： always (敏感信號(hào)表達(dá)式 ) begin ∥邏輯功能描述 end 一旦敏感信號(hào)變 化，便執(zhí)行后面的程序。 ②調(diào)用元件 調(diào)用元件的方法類(lèi)似于在電路圖輸入方式下調(diào)入圖形符號(hào)來(lái)完成設(shè)計(jì)，該方法側(cè)重于電路的結(jié)構(gòu)描述。如 :assign=～ (Aamp。 （ 4）邏輯功 能定義 ①用“ assign”持續(xù)賦值語(yǔ)句定義 “ assign”語(yǔ)句一般用于組合邏輯的賦值，稱(chēng)為持續(xù)賦值方式。 中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 41 頁(yè) wire 型 :最常用的連線型變量，實(shí)現(xiàn)各種物理連接。常用到的有 wire 類(lèi)型和 reg 類(lèi)型。 （ 3）信號(hào)類(lèi)型聲明 對(duì)模塊所用到的信號(hào) (包括端口信號(hào)、節(jié)點(diǎn)信號(hào)等 )都必須進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型定義。 . 模塊結(jié)束的標(biāo)志是 endmodule。 （ 1）模塊聲明 模塊聲明包括模塊的名字和模塊輸入、輸出端口的列表。 Verilog HDL 語(yǔ)言語(yǔ)法介紹 Verilog HDL 最核心的就是模塊，每一個(gè)程序都必須是 由模塊組成?；?Verilog HDL語(yǔ)言的優(yōu)越性， IEEE 于 1995年制定了 Verilog HDL 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，即 Verilog HDL13641995， 2021年發(fā)布了 Verilog HDL13642021標(biāo)準(zhǔn)。 Verilog XL 算法的成功，使 Verilog HDL 語(yǔ)言迅速發(fā)展。 19841985年 Phil Moobry 設(shè)計(jì)出了第一個(gè)名為 VerilogXL的仿真器。 Verilog HDL 是在 1983年由 GWDA(Gate way Design ， Automation)公司的 Phil Moobry 首創(chuàng)的。用 verilog HDL 描述的電路設(shè)中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 41 頁(yè) 計(jì)就是該電路的 Verliog HDL 模型，也稱(chēng)為模塊。因此， FPGA 的使用非常靈活。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM 即可。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部 邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復(fù)使用。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 可以說(shuō)， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 （ 4） FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 （ 2） FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個(gè)部分 [7]。 FPGA 簡(jiǎn)介 FPGA 是英文 Field－ Programmable Gate Array 的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制原理可以得出結(jié)論：設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出電機(jī)的控制脈沖。接受 CP控制脈沖和方向電平是脈沖分配器的最基本功能。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢、加速或減速、起動(dòng)或停止都完全取決于 CP 控制脈沖的有無(wú)和脈沖的頻率。 脈沖分配器用來(lái)接受來(lái)自控制器的 CP 控制脈沖，并按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。由圖 可以看出，步進(jìn)電機(jī)的總旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖總數(shù)成正比，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與每秒的輸入脈沖數(shù)目（脈沖速率： Pulse rate）成正比 [5][6]。 （ 8）小型、高功率：步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管在狹窄的空間內(nèi)，仍可以順利安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。 （ 6）中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。 （ 5）開(kāi)回路控制、不必依賴(lài)傳感器定位：步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)器 (ENCODER)、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)及位置傳感器 (SENSOR)，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。 （ 3）具有定位保持力：步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下 (無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí) )，仍具有激磁保持力， 故即使不依靠機(jī)械式的剎車(chē)，也能做到停止位置的保持。 )以?xún)?nèi)，且無(wú)累計(jì)誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制 (步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度 )。 3 分 (177。 (全步級(jí) )/176。 步進(jìn)電機(jī)的特征 （ 1）高精度的定位：步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的 定位控制。由于步進(jìn)電機(jī)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)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。 （ 3） 保持轉(zhuǎn)矩（ HOLDING TORQUE）：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的要求。/176。/176。/176。 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)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)電機(jī)。 、整步工作時(shí)為 176。/176。 步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù) （ 1） 電機(jī)固有步距角： 它 表示控制系統(tǒng)每發(fā) 出 一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 tIi ma ?cos? （１） )32c os ( ?? ?? tIi mb （２） )34c os ( ?? ?? tIi mc （３） 圖 中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 41 頁(yè) 圖 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)而言，向 A、 B、 C 繞組分別通以相位相差 2/3π ， 而幅值相同的正弦波電流 (圖) ，則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的合成磁場(chǎng)矢量也作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)從而形成旋轉(zhuǎn)力矩（圖 ）。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM） 、 混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等 [3][4]。 中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 41 頁(yè) 2 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介及其發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。 第四章對(duì)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制模塊進(jìn)行邏輯功能綜合，理論驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的可行性。利用脈沖疊加原理，以 Verilog HDL為實(shí)體 設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于 FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 第二章作了 Verilog HDL語(yǔ)言及相關(guān)軟件介紹，依次介紹了 FPGA， Verilog HDL，Xilinx及其 ISE集成開(kāi)發(fā)軟件 的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)對(duì)第三方仿真軟件 Modelsim也作了相關(guān)介紹。 Verilog HDL+ FPGA的設(shè)計(jì)方法是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新，也是未來(lái)的一種發(fā)展方向 [1][2]。采用 Verilog HDL的設(shè)計(jì)方法有著不依賴(lài)器件、移植容易、能加快設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。模擬電路雖然可以用來(lái)產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)，但卻難以控制，而用數(shù)字集成電路來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，則能克服以上缺點(diǎn)。 它能夠在不涉及伺服系統(tǒng)復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實(shí)現(xiàn)良好的定位精度 ,并且具有性?xún)r(jià)比高、易于控制以及無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在民用、工業(yè)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控開(kāi)環(huán)定位系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，具有較高的實(shí)用價(jià)值。中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 41 頁(yè) 1 引 言 步進(jìn)電機(jī) （ Stepping motor） 是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的機(jī)電元件 ,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱(chēng)為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。它可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)是由輸入的脈沖信號(hào)來(lái)加以控制的?，F(xiàn)在，數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)越來(lái)越多地采用 Verilog HDL+FPGA的設(shè)計(jì)方法。并且， Verilog HDL在現(xiàn)場(chǎng)就能進(jìn)行修改，與 FPGA器件相結(jié)合，能大大提高設(shè)計(jì)的靈活性與效率，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品的上 市時(shí)間。 本設(shè)計(jì)首先在第一章對(duì)步進(jìn)電機(jī)作了概述，并初步介紹了其控制原理，最后在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)的核心部分所在。 第三章詳細(xì)闡述了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該系統(tǒng)可以控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)定速、加速、減速，且速率和加速度都能做到連續(xù)可調(diào)等功能。 本設(shè)計(jì)最后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)作相關(guān)總結(jié)，并指出本次設(shè)計(jì)的不足之處。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用 。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。 合成的磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。 A、 B、 C三相瞬時(shí)電流值如式（ 1）、（ 2）、（ 3）所示 。它又分為兩相和五相： 兩相步進(jìn)角一般為 度 ， 而五相步進(jìn)角一般為 度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為176。 （表示半步工作時(shí)為 176。 ），這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為 “ 電機(jī)固有步距角 ” ，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為176。 、三相的為 176。 、五相的為 176。 。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則 “ 相數(shù) ” 將變得沒(méi)有意義，用戶(hù)只需在驅(qū)動(dòng)器上改 變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。 （ 4） DETENT TORQUE：是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。以 5 相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位 (分辨率 )為 176。 (半步中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 41 頁(yè) 級(jí) )，是非常小的；停止定位精度誤差皆在177。 176。 （ 2）位置及速度控制：步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)作固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制 (位置控制 )，并可得到與該脈沖信號(hào)周波數(shù)(頻率 )成比例的回轉(zhuǎn)速度。 （ 4）動(dòng)作靈敏：步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越 ,所以可