电子系统设计实践.ppt

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1、EDA 技术实用教程,第 13 章 电子系统设计实践,13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,VGA工业标准要求的频率： 时钟频率(Clock frequency) ：25.175 MHz (像素输出的频率) 行频(Line frequency) ： 31469 Hz 场频(Field frequency ) ： 59.94 Hz (每秒图像刷新频率),13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,图13-1 VGA行扫描、场扫描时序示意图,13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,表13-1 行扫描时序要求：(单位：像素，即输出一个像素Pixel的时间间隔)

2、,表13-1 行扫描时序要求：(单位：像素，即输出一个像素Pixel的时间间隔),13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,图13-2 HS和VS的时序图,13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,图13-3 例13-7实现电路,13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,表13-3 颜色编码：,表13-4彩条信号发生器3种显示模式,13.1 VGA彩条信号显示控制器设计,KX康芯科技,【例13-1】 LIBRARY IEEE; - VGA显示器 彩条 发生器 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UN

3、SIGNED.ALL; ENTITY COLOR IS PORT ( CLK, MD : IN STD_LOGIC; HS, VS, R, G, B : OUT STD_LOGIC ); - 行场同步/红，绿，兰 END COLOR; ARCHITECTURE behav OF COLOR IS SIGNAL HS1,VS1,FCLK,CCLK : STD_LOGIC; SIGNAL MMD : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);- 方式选择 SIGNAL FS : STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); SIGNAL CC : STD_LOGIC

4、_VECTOR(4 DOWNTO 0); -行同步/横彩条生成 SIGNAL LL : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); -场同步/竖彩条生成 SIGNAL GRBX : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1);- X横彩条 SIGNAL GRBY : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1);- Y竖彩条 SIGNAL GRBP : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); SIGNAL GRB : STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 1); BEGIN （接下页）,KX康芯科技,GRB(2) =

5、(GRBP(2) XOR MD) AND HS1 AND VS1; GRB(3) = (GRBP(3) XOR MD) AND HS1 AND VS1; GRB(1) = (GRBP(1) XOR MD) AND HS1 AND VS1; PROCESS( MD ) BEGIN IF MDEVENT AND MD = 0 THEN IF MMD = “10“ THEN MMD = “00“; ELSE MMD = MMD + 1; END IF; -三种模式 END IF; END PROCESS; PROCESS( MMD ) BEGIN IF MMD = “00“ THEN GRBP =

6、GRBX; - 选择横彩条 ELSIF MMD = “01“ THEN GRBP = GRBY; - 选择竖彩条 ELSIF MMD = “10“ THEN GRBP = GRBX XOR GRBY; -产生棋盘格 ELSE GRBP = “000“; END IF; END PROCESS; PROCESS( CLK ) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN - 13MHz 13分频 IF FS = 13 THEN FS = “0000“; ELSE FS = (FS + 1); END IF; END IF; END PROCESS; FCLK = FS(3

7、); CCLK = CC(4); PROCESS( FCLK ) BEGIN （接下页）,KX康芯科技,IF FCLKEVENT AND FCLK = 1 THEN IF CC = 29 THEN CC 23 THEN HS1 479 THEN VS1 = 0; -场同步 ELSE VS1 = 1; END IF; END PROCESS; PROCESS(CC, LL) BEGIN IF CC 3 THEN GRBX = “111“; - 横彩条 ELSIF CC 6 THEN GRBX = “110“; ELSIF CC 9 THEN GRBX = “101“; ELSIF CC 13 T

8、HEN GRBX = “100“; ELSIF CC 15 THEN GRBX = “011“; （接下页）,KX康芯科技,ELSIF CC 18 THEN GRBX = “010“; ELSIF CC 21 THEN GRBX = “001“; ELSE GRBX = “000“; END IF; IF LL 60 THEN GRBY = “111“; - 竖彩条 ELSIF LL 130 THEN GRBY = “110“; ELSIF LL 180 THEN GRBY = “101“; ELSIF LL 240 THEN GRBY = “100“; ELSIF LL 300 THEN G

9、RBY = “011“; ELSIF LL 360 THEN GRBY = “010“; ELSIF LL 420 THEN GRBY = “001“; ELSE GRBY = “000“; END IF; END PROCESS; HS = HS1 ; VS = VS1 ;R = GRB(2) ;G = GRB(3) ; B = GRB(1); END behav;,13.2 VGA图象显示控制器设计,KX康芯科技,图13-4 VGA图像控制器框图,KX康芯科技,【例13-2】 LIBRARY ieee; -图象显示顶层程序 USE ieee.std_logic_1164.all; ENTI

10、TY img IS port ( clk50MHz : IN STD_LOGIC; hs, vs, r, g, b : OUT STD_LOGIC ); END img; ARCHITECTURE modelstru OF img IS component vga640480 -VGA显示控制模块 PORT(clk : IN STD_LOGIC; rgbin : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); hs, vs, r, g, b : OUT STD_LOGIC; hcntout, vcntout : OUT STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0)

11、 ); end component; component imgrom -图象数据ROM，数据线3位；地址线13位 PORT(inclock : IN STD_LOGIC; address : IN STD_LOGIC_VECTOR(11 downto 0); q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0) ); end component; signal rgb : STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); signal clk25MHz : std_logic; signal romaddr : STD_LOGIC_VECTOR(11 downt

12、o 0); signal hpos, vpos : std_logic_vector(9 downto 0); BEGIN romaddr clk25MHz, rgbin = rgb, hs = hs, vs = vs, r = r, g = g, b = b, hcntout = hpos, vcntout = vpos); i_rom : imgrom PORT MAP(inclock = clk25MHz, address = romaddr, q = rgb); END；,KX康芯科技,【例13-3】 LIBRARY IEEE use IEEE.std_logic_1164.all;

13、use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; entity vga640480 is port ( clk : in STD_LOGIC; hs, vs, r,g,b : out STD_LOGIC; rgbin : in std_logic_vector(2 downto 0); hcntout,vcntout : out std_logic_vector(9 downto 0) ); end vga640480; architecture ONE of vga640480 is signal hcnt, vcnt : std_logic_vector(9 downto

14、0); begin hcntout 0); end if; end if; end process; process(clk) begin if (rising_edge(clk) then if (hcnt = 640+8 ) then if(vcnt 0); end if; （接下页）,KX康芯科技,end if; end if; end process; process(clk) begin if (rising_edge(clk) then if(hcnt=640+8+8) and (hcnt= 480+8+2) and (vcnt480+8+2+2) then vs = 0; els

15、e vs=1; end if; end process; process(clk) begin if (rising_edge(clk) then if (hcnt640 and vcnt480) then r=rgbin(2); g=rgbin(1); b=rgbin(0); else r=0; g=0; b=0; end if; end if; end process; end ONE;,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,1、步进电机细分驱动原理,2、步距细分的系统构成,图13-5 四相步进电机8细分电流波形,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,2、步距细分的系统构成

16、,图13-6 步进电机细分驱动电路结构图,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,2、步距细分的系统构成,图13-7 步进电机PWM细分控制控制电路图,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,2、步距细分的系统构成,图13-8 图13-7中的cmp3模块,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,2、步距细分的系统构成,图13-9 PWM波形ROM存储器,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,3、细分电流信号的实现,4、细分驱动性能的改善,5、细工作时序分析,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,图13-10 步进电机PWM仿真波形图（注意，图中clk与clk5

17、交换）,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,图13-11 展开后的步进电机PWM仿真波形图（注意，图中clk与clk5交换）,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,6、硬件验证,【例13-4】-元件CNT8 LIBRARY IEEE; - 8进制计数器 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT8 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); END CNT8; ARCHITECTUR

18、E behav OF CNT8 IS SIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN CQI = CQI + 1; END IF; END PROCESS; CQ = CQI(4 DOWNTO 1); END behav;,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,【例13-5】-元件DEC2 LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; ENTITY Dec2 IS PORT ( CLK : IN S

19、TD_LOGIC; A : IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; D : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ; ARCHITECTURE one OF Dec2 IS SIGNAL CQ : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS( CQ ) BEGIN CASE CQ IS WHEN “00“ = D D D D NULL ; END CASE ; END PROCESS ; PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THE

20、N CQ = A; END IF; END PROCESS; END ;,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,【例13-6】 -元件CNT24 LIBRARY IEEE; - 24进制计数器 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT24 IS PORT ( CLK,EN, U_D : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); END CNT24; ARCHITECTURE behav OF CNT24 IS SIGNA

21、L CQI : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK, EN, U_D) BEGIN IF EN = 1 THEN CQI = CQI; ELSIF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN IF U_D = 1 THEN CQI = CQI + 1; ELSE CQI= CQI-1; END IF; END IF; END PROCESS; CQ(4 DOWNTO 0) = CQI; END behav;,13.3 步进电机细分驱动控制,KX康芯科技,6、硬件验证,【例13-7】 -5位地址线ROM3中的数据: pwm_1.

22、mif，注意，实用每一组数据要占一行 WIDTH = 16; DEPTH = 32; ADDRESS_RADIX = HEX; DATA_RADIX = HEX; CONTENT BEGIN 0:f000; 1:f600; 2:f900; 3:fc00; 4:ff00; 5:cf00; 6:9f00; 7:6f00; 8:0f00; 9:0f60; a:0f90; b:0fc0; c:0ff0; d:0cf0; e:0af0; f:06f0; 10:00f0; 11:00f6; 13:00f9;13:00fc; 14:00ff; 15:00cf; 16:009f; 17:006f; 18:00

23、0f; 19:600f; 1a:900f;1b:c00f; 1c:f00f; 1d:f00c; 1e:f009; 1f:f006; END;,13.4 直流电机的PWM控制,KX康芯科技,直流电机控制电路主要由三部分组成：,FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路,FPGA中的工作/停止控制和正/反转方向控制电路,由功率放大电路和H桥组成的正反转功率驱动电路,13.4 直流电机的PWM控制,KX康芯科技,图13-12 FPGA直流电机驱动控制电路,13.4 直流电机的PWM控制,KX康芯科技,图13-13图13-14中的cmp3模块,13.4 直流电机的PWM控制,KX康芯科技,图13-14 FP

24、GA直流电机控制模块,13.4 直流电机的PWM控制,KX康芯科技,【例13-8】 LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY DECD IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; DSPY : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; D : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END ; ARCHITECTURE one OF DECD IS SIGNAL CQ : STD_LOGIC

25、_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS( CQ ) BEGIN CASE CQ IS WHEN “00“ = D D D D NULL ; END CASE ; END PROCESS ; PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 then CQ = CQ + 1; END IF; END PROCESS; DSPY=CQ; END ;,13.4 直流电机的PWM控制,KX康芯科技,【例13-9】 LIBRARY IEEE; - 4进制计数器 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.S

26、TD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT5 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; AA : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1); END CNT5; ARCHITECTURE behav OF CNT5 IS SIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 then CQI = CQI + 1; END IF; END PROCESS; AA = CQI(4 DOWNTO 1); E

27、ND behav;,习 题,KX康芯科技,13-1. 详述VGA显示控制原理。 13-2. 试在通用异步收发器UART中加入FIFO，以缓冲接收，发生数据。 13-3. 把VGA控制器模块与UART模块连接起来，实现VGA显示图像的动态更新。 13-4. 简述步进电机转角细分的工作原理，有哪些方法可以实现步进转角细分控制？ 13-5. 步进电机相电流的细分与步进转角细分是一回事吗？有何区别？要提高步进电机转角细分的控制精度，可以采取哪些方法？,习 题,KX康芯科技,13-6. 要使步进电机按预先设定的角度转动，控制电路应如何设计？ 13-7. 有哪些方法可以对直流电机进行调速控制？如何用FPG

28、A对直流电机进行调速控制？ 13-8. 若要使电机转速设置更精确，可以采取哪些措施，控制电路应如何修改？ 13-9. 要使直流电机精确地达到设定转速，可以通过检测电机的转速，采用速度闭环控制。如何通过实验台上的光电检测装置检测电机转速，如何用FPGA实现速度闭环控制？,实 验 与 设 计,KX康芯科技,13-1. VGA彩条信号显示控制器设计 (1) 实验目的：学习VGA图像显示控制器的设计。 (2) 实验内容1：根据图13-3和程序13-1，完成VGA彩条信号显示的验证性实验。根据图13-3引脚锁定：R、G、B分别接PIO60、PIO61、PIO63；HS、VS分别接PIO64、PIO65；

29、CLK接clock9（13MHz），MD接PIO0，控制显示模式。 接上VGA显示器，选择模式5，下载COLOR.SOF；控制键1，观察显示器工作（如果显示不正常，将GW48系统右侧开关拨以下，最后再拨回到“TO_MCU”）。 (3) 实验内容2：设计可显示横彩条与棋盘格相间的VGA彩条信号发生器。 (4) 实验内容3：设计可显示英语字母的VGA信号发生器电路。 (5) 实验内容4：设计可显示移动彩色斑点的VGA信号发生器电路。,实 验 与 设 计,KX康芯科技,13-2. VGA图像显示控制器设计 (1) 实验内容1：根据图13-4和程序例13-2/3，设计与生成图象数据；根据例13-2中i

30、mgrom元件的接口，定制放置图象数据的ROM。 (2) 实验内容2：硬件验证例13-2/3，选择模式5，引脚连接方式仍同图13-4，只是时钟输入clk50MHz接clock0，选择频率50MHz的时钟信号。在EDA系统上接上VGA显示器，下载后观察图形显示情况。 (3) 实验内容3：为此设计增加一个键，控制输出图象的正色与补色。 (4) 实验内容4：为了显示更大的图象，用外部ROM取代FPGA的内部ROM，即imgrom元件，电路结构参考图13-4，引脚锁定参考电路结构图NO.5图中的ROM 27C020/27C040与FPGA的引脚连接情况。示例程序可下载 ./VGA88/vgarom.s

31、of，或 ./VGAbb/vgarom.sof，clock0接50MHz，GW48 EDA系统左下角的拨码开关的“ROM使能”拨向下（如果显示不正常，将EDA系统右侧开关拨以下，最后再拨回到“TO_MCU”）。选择模式5，键1控制图象的正色与补色显示。注意，实验结束后将拨码开关的“ROM使能”拨向上还原。,实 验 与 设 计,KX康芯科技,13-3. 步进电机细分驱动控制实验 (1) 实验目的：学习用FPGA实现步进电机的驱动和细分控制。 (2) 实验内容1：完成以图13-7所示的步进电机控制电路的验证性实验。首先引脚锁定： 步进电机的4个相：Ap、Bp、Cp、Dp（对应程序中的Y0、Y1、Y

32、2、Y3）分别与PIO65、PIO64、PIO63、PIO62（见GW48主系统左侧的标注）相接。 CLK0接clock0，选择4Hz；CLK5接clock5，选择32768Hz；S接PIO6（键7），控制步进电机细分旋转（1/8细分，2.25度/步），或不细分旋转（18度/步）；U_D接PIO7（键8），控制旋转方向。 用短路帽将系统左侧的“步进允许(JM0)”短路（注意，电机实验结束后，短路帽插回“禁止”端！ 选择模式No.5, 用Quartus下载step_1c3中的step_a.sof到EP1C3中，观察电机工作情况。 给出电机的驱动仿真波形，与示波器中观察到的电机控制波形进行比较。,

33、实 验 与 设 计,KX康芯科技,13-3. 步进电机细分驱动控制实验 (3) 实验内容2：设计2个电路：1、要求能按给定细分要求，采用PWM方法，用FPGA对步进电机转角进行细分控制(利用QuartusII的EAB在系统编辑器实时在系统编辑调试ROM3中的细分控制数据)；2、用FPGA实现对步进电机的匀加速和匀减速控制。 (4) 实验内容3：为使步进电机能平稳地运行，并尽快从起点到达终点，步进电机应按照以下控制方式运行：启动匀加速匀速匀减速停止。当给定终点位置（转角）以后，试用FPGA实现此控制。 (5) 实验内容4：步进电机在步距角细分的基础上，试通过修改控制电路对步距角进一步细分。,实

34、验 与 设 计,KX康芯科技,13-4. 直流电机PWM控制实验 (1) 实验目的：学习直流电机PWM的FPGA控制。掌握PWM控制的工作原理，对直流电机进行速度控制、旋转方向控制、变速控制。 (2) 实验内容1：完成以图13-14所示的直流电机控制电路的验证性实验。首先引脚锁定： 直流电机模块中的MA2、MA1（对应程序中的Z、F）分别与EP1C3的PIO60/61相接，用于控制直流电机；测直流电机转速的MA-CNT端接PIO66，即CNTT端（见主系统左侧的标注）； 用短路帽分别将主系统左侧的“直流允许（JM1）”和“计数允许（JM2）”短路；CLK5接clock5，选择32768Hz；F

35、1HZ接clock2，选择1Hz，作为转速测量的频率计的门控时钟； 键1（PIO0，接Z_F）控制旋转方向；键2（PIO1，D_STP）控制旋转速度。连续按动此键时，由数码管7显示0、1、2、3指示4个速度级别；转速由数码管4、3、2、1显示。 选择模式No.5, 用Quartus下载step_1c3中的step_a.sof到EP1C3中，观察电机工作情况。 给出电机的驱动仿真波形，与示波器中观察到的电机控制波形进行比较。 (3) 实验内容2：实现直流电机的闭环控制，旋转速度可设置。 (4) 实验内容3：说明图13-14中的去抖动电路的工作原理，为了加强去抖动效果，改进图13-14中的去抖动电路和工作时钟频率的选择，如设计一个含4个D触发器的去抖动电路，实测它的性能。并说明此电路的工作时钟频率与被测信号频率的关系。,