EDA應用技術 第2版 課件 項目8 二自由度云臺控制器編程下載

項目8二自由度云臺控制器設計方案云臺具有廣泛的應用，一般在需要搖動和擺動運動的機構(gòu)中，都可以應用云臺來實現(xiàn)，如機械臂、安防和監(jiān)控的支架、航模自動控制等。PWM(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制/脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術，廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換等領域中。本項目以二自由度云臺控制器設計為載體，利用PWM精確控制二自由度云臺的舵機運動，介紹基于FPGA的PWM控制器的設計方法。項目8二自由度云臺控制器設計方案教學目標技能目標知識目標素質(zhì)目標(1)能用VHDL程序描述矩陣式鍵盤控制電路。(2)能用VHDL程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示。(3)能用VHDL程序描述PWM控制信號。(4)能使用QuartusPrime軟件對設計中的多個設計文件進行單獨綜合、仿真、調(diào)試。(5)能利用原理圖和文本輸入相結(jié)合的方法描述數(shù)字電子系統(tǒng)。(1)了解舵機工作原理。(2)了解PWM原理與應用。(3)熟悉矩陣鍵盤工作原理。(4)熟悉數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示工作原理。(5)掌握VHDL程序的自頂向下模塊化設計數(shù)字電路的方法。(6)掌握IP功能模塊的使用方法。(1)培養(yǎng)嚴謹規(guī)范的專業(yè)精神。(2)培養(yǎng)一絲不茍的職業(yè)精神。(3)培養(yǎng)精益求精的工匠精神。項目8二自由度云臺控制器設計方案任務描述用FPGA最小系統(tǒng)板設計控制器，實現(xiàn)對二自由度舵機云臺的精確控制,功能要求：①輸入采用4×4矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤輸入旋轉(zhuǎn)角度值，精確控制二自由度舵機的旋轉(zhuǎn)角度。②在4×4矩陣式鍵盤上定義功能鍵，實現(xiàn)二舵機的角度增加與減小，二舵機的角度改變，可單獨改變，也可同時改變。③采用四位數(shù)碼管同步顯示顯示二舵機角度值改變。項目8二自由度云臺控制器設計方案用FPGA最小系統(tǒng)板設計控制器，實現(xiàn)對二自由度舵機云臺的精確控制,設計要求：在Quartusprime20.1軟件平臺上，用VHDL程序設計矩陣式鍵盤控制電路、數(shù)碼管動態(tài)顯示電路、舵機控制電路；用ModelSim-Altera2020.1仿真軟件仿真檢查設計結(jié)果；選用FPGA最小系統(tǒng)板、2自由度舵機云臺、矩陣式鍵盤、數(shù)碼管等硬件資源進行硬件驗證。任務描述項目8二自由度云臺控制器設計方案設計方案1.矩陣式鍵盤控制器設計矩陣式鍵盤是排布類似于矩陣的鍵盤組，是一種常見的人機對話輸入裝置。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少控制端口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖8.1所示。圖8.1矩陣鍵盤項目8二自由度云臺控制器設計方案1.矩陣式鍵盤控制器設計

矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，如圖8.2所示。鍵盤控制器順序掃描各列線將其置為低電平，然后根據(jù)行線上的電平變化來確定是哪個按鍵按下。圖8.24×4矩陣鍵盤原理圖項目8二自由度云臺控制器設計方案1.矩陣式鍵盤控制器設計圖8.3矩陣式鍵盤控制器模塊的原理圖矩陣式鍵盤控制器模塊的原理圖，如圖8.3所示。項目8二自由度云臺控制器設計方案1.矩陣式鍵盤控制器設計根據(jù)矩陣式鍵盤控制器模塊的功能，矩陣式鍵盤控制器模塊電路的設計分為3個部分：①矩陣鍵盤的列掃描控制和行編碼譯碼。本設計采用矩陣鍵盤控制器輸出列掃描信號，然后根據(jù)輸入的行編碼信號進行譯碼。掃描信號由kbcol[3]~kbcol[0]進入鍵盤，變化的順序依次為1110、1101、1011、0111、1110。每一次掃描一列，依次周而復始。項目8二自由度云臺控制器設計方案1.矩陣式鍵盤控制器設計根據(jù)上面所述原理，可得到各按鍵與行、列編碼的關系如表8.1所示。項目8二自由度云臺控制器設計方案1.矩陣式鍵盤控制器設計②機械式按鍵的防抖設計。由于機械式按鍵在按下和彈起的過程中均有5~10ms的信號抖動時間，在信號抖動時間內(nèi)無法有效判斷按鍵值，因此需對按鍵進行防抖設計。本項目采用對按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的方式防抖動，即在按鍵按下或彈起后連續(xù)8個時鐘周期按鍵信號均相同，才確認1次按鍵有效，從而避免按鍵按下和彈起過程中的數(shù)據(jù)抖動。③按鍵數(shù)值的移位寄存。由于需要用4位數(shù)表示舵機與旋轉(zhuǎn)角度值，而鍵盤1次只能輸入1位數(shù)據(jù)，因此，對輸入的數(shù)據(jù)需要進行存儲，然后調(diào)用。項目8二自由度云臺控制器設計方案2.數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示設計本項目的旋轉(zhuǎn)角度值采用4位數(shù)表示，需要4個數(shù)碼管。單個數(shù)碼管（以共陽極性為例）包括小數(shù)點是由8段發(fā)光二極管組成，其中，7段(A~G)發(fā)光二極管的不同亮滅組成不同的數(shù)字，另一個發(fā)光二極管(P)控制小數(shù)點的顯示，如圖8.4所示。圖8.48段共陽數(shù)碼管原理圖項目8二自由度云臺控制器設計方案2.數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示設計如果采用動態(tài)掃描的方式來控制4位數(shù)碼管的顯示，可大大減少FPGA的輸入輸出引腳資源。所謂動態(tài)掃描是指每個數(shù)碼管不是一直顯示，而是每隔一定時間顯示一次，只要間隔時間足夠短，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，在視覺上是一直顯示的。動態(tài)掃描數(shù)碼管的原理圖，如圖8.5所示。圖8.5動態(tài)掃描數(shù)碼管連接原理圖項目8二自由度云臺控制器設計方案3.舵機PWM控制信號設計舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，它是高性能的數(shù)字控制的可調(diào)速的電機，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動。圖8.5舵機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1)舵機簡介。舵機主要由外殼、控制電路、直流電機、減速齒輪組與位置檢測器構(gòu)成，如圖8.5所示。標準的舵機有三條控制線組成，分別為電源、地及控制信號線，如圖8.6所示。圖8.6舵機控制線示意圖項目8二自由度云臺控制器設計方案3.舵機PWM控制信號設計

(2)舵機工作原理及參數(shù)。本項目采用MG99501舵機，其控制信號是周期為20ms的PWM信號，當脈沖寬度為0.5ms~2.5ms時，相對應舵盤的位置為0~180度，呈線性變化。因而，每增加1度增加的脈寬為(2500-500)/180=11.11μs。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。項目8二自由度云臺控制器設計方案3.舵機PWM控制信號設計

(3)舵機PWM控制信號設計。本項目采用的FPGA最小系統(tǒng)板的工作頻率為50MHz，即周期為20ns的脈沖，舵機的PWM控制信號可通過分頻產(chǎn)生。脈沖寬度計數(shù)器的長度N=脈寬/20ns，如0度時，脈寬為0.5ms，則脈寬計數(shù)器的長度為(0.5×106)/20=25000。根據(jù)舵機PWM控制信號要求可知，脈寬度計數(shù)器長度cnt=25000+n×[(2×106)/180]/20，其中n值為旋轉(zhuǎn)的角度值。部分脈沖寬度與舵機轉(zhuǎn)動角度及脈寬度計數(shù)器長度的關系如表8.2所示，其它角度可根據(jù)脈寬與角度改變呈線性變化計算。項目8二自由度云臺控制器設計方案4.二自由度云臺控制器設計模塊功能本項目的二自由度云臺控制器，根據(jù)設計任務要求可分為：鍵盤控制模塊、動態(tài)顯示控制模塊、ROM模塊、PWM1與PWM2生成模塊。鍵盤控制模塊的功能:在系統(tǒng)時鐘信號的控制下，生成鍵盤列掃描信號，根據(jù)鍵盤行信號編碼確定舵機的轉(zhuǎn)動角度，將轉(zhuǎn)動角度的值分別輸出給動態(tài)顯示控制模塊顯示數(shù)值，輸出給ROM模塊轉(zhuǎn)換為計數(shù)器長度值，設置舵機1（水平舵機）、舵機2（垂直舵機）的PWM模塊的脈寬計數(shù)器，控制PWM的脈寬；產(chǎn)生確定角度值生效的控制信號；產(chǎn)生角度選擇信號分別控制舵機1與舵機2；產(chǎn)生控制舵機1與舵機2角度改變的信號。項目8二自由度云臺控制器設計方案4.二自由度云臺控制器設計模塊功能動態(tài)顯示控制模塊的功能：在系統(tǒng)時鐘信號的控制下，產(chǎn)生位掃描信號，并根據(jù)顯示的值，譯碼輸出相應的段碼。

ROM模塊的功能：在系統(tǒng)時鐘信號的控制下，根據(jù)輸入的角度值，轉(zhuǎn)換為脈寬計數(shù)器的長度值。

PWM1與PWM2模塊的功能：在系統(tǒng)時鐘信號的控制下，根據(jù)脈寬計數(shù)器的長度值、角度值有效控制信號、角度改變信號、角度選擇信號等輸出水平舵機與垂直舵機的PWM控制信號。項目8二自由度云臺控制器設計方案設計流程項目8二自由度云臺控制器編程下載編程下載的目的是將設計所生成的文件通過計算機下載到目標器件，驗證設計是否滿足實際要求或能否在實際中應用。1.硬件電路連接設計的二自由度云臺控制器模塊輸入輸出端口如圖8.50所示。圖8.50控制器模塊輸入輸出端口項目8二自由度云臺控制器編程下載1.硬件電路連接

圖8.50控制器模塊輸入輸出端口【clk】為系統(tǒng)時鐘信號輸入端，與FPGA最小系統(tǒng)板所提供的50MHz時鐘信號相連接【kbrow[3..0]】為4×4矩陣鍵盤行信號輸入端，連接矩陣鍵盤行線【kbcol[3..0]】為4×4矩陣鍵盤列掃描信號輸出端，連接矩陣鍵盤列線【q[7..0]】為4數(shù)碼管動態(tài)顯示段信號輸出端，連接4數(shù)碼管a-g及p管腳【w[3..0]】為數(shù)碼管動態(tài)顯示位信號輸出端，分別連接4數(shù)碼管的公共端【pwm1】為控制舵機1的信號輸出端，連接舵機1的控制信號線【pwm2】為控制舵機2的信號輸出端，連接舵機2的控制信號線項目8二自由度云臺控制器編程下載2.輸入輸出連接原理圖

圖8.51二自由度云臺控制器與輸入輸出設備連接

輸入輸出元件4×4矩陣鍵盤、4數(shù)碼管、舵機1、舵機2等與FPGA最小系統(tǒng)板連接原理圖，如圖8.51所示。項目8二自由度云臺控制器編程下載2.輸入輸出連接原理圖

圖8.52二自由度云臺控制器與輸入輸出元件連接

輸入輸出設備4×4矩陣鍵盤、4數(shù)碼管、舵機1、舵機2等與FPGA最小系統(tǒng)板連接實物圖，如圖8.52所示。項目8二自由度云臺控制器編程下載3.編程下載（1）指定目標器件芯片

根據(jù)EP2C5T144-FPGA最小系統(tǒng)板，指定目標器件。（2）輸入輸出引腳鎖定

根據(jù)二自