基于CPLD的多功能脉冲分配器的设计说明书

毕业设计说明书

基于CPLD的多功能脉冲 分配器的设计

专业 电子信息工程 韩 清 B电子032班 0310620206 成 开 友 2007年6月14日

学生姓名 班学

级 号

指导教师 完成日期

盐城工学院本科生毕业设计说明书（2007）

基于CPLD的多功能脉冲分配器的设计 摘 要: 现代经济快速发展，步进电机作为能够精确步进定位的器件，被广泛应

用于不同的行业中。但是步进电机自身不能控制运行，需要借助步进电机控制器来控制。而脉冲分配器作为步进电机控制器中的核心设备，将直接控制步进电机的运转方式和运转速度。

设计的脉冲分配器能实现多种功能。通过模式键切换，实现步进电机分三相六拍和双三拍两种模式工作；根据复位键的高低电平，决定步进电机是否运转；有方向控制选择键，实现对步进电机的正、反方向运转的控制；并且具有分频功能，可以将输入频率生成八种不同频率输出来控制步进电机的转速。对脉冲分配器的设计以XILINX公司的XC9572 CPLD芯片为硬件主体和超高速集成电路硬件描述语言VHDL为软件主体。这种设计方法具有设计简单、代码通用、系统灵活性和可靠性强的优势。文中详细介绍了脉冲分配器中XC9572 CPLD芯片、分频器和状态机的设计细节。

由于是基于可编程逻辑器件并结合VHDL语言设计的步进电机脉冲分配器，因此其突出的优点就是有良好的升级特性，能很好地提高产品的竞争优势。

关键词: 步进电机；脉冲分配器；VHDL；CPLD

盐城工学院本科生毕业设计说明书（2007）

The design of Multifunctional Pulse Distributor

based on CPLD

Abstract : With the rapid development of modern economy, stepper motor, as a device

which can precisely positioning, is widely used in various industries. However, stepper motor can not control operation itself, thus stepper motor controller is needed. Meanwhile, the pulse distributor, as the core equipment of stepper motor controller, will be in direct control of the stepper motor operation and the operation of speed.

The pulse distributor is designed to carry out its various functions, among which are: by key mode switching, two modes of six hours of three-phase and three-bats can be shoot; according to the high or low level of the electricity of the reset button, whether stepper motor is in operation can be decided; the control of the all-direction operation of stepper motor can be carried out by the direction control keys; moreover, this pulse distributor has the function of frequency-distribution, it can control the speed of the stepper motor by transferring the input frequency into eight different output frequencies. The design of this pulse distributor employs XC9572 CPLD chip which produced by XILINX company as its main hardware and VHDL as its main software. This method is simple in design, with a common code, a flexible system and has advantages in its reliability. This paper describes in detail about the pulse split XC9572 CPLD, the dividers and the design details of the state machine.

Because it is the stepper motor pulse distributor which is based on programmable logic device and VHDL design, it has the obvious advantages of a good upgrades and a good competitive advantage.

Key words: Stepper Motor; Pulse Distributor; VHDL; CPLD

基于CPLD的多功能脉冲分配器的设计

目 录

1 概 述 .................................................................................................................... 1 2 步进电机脉冲分配器实现方式的论证 ................................................................. 2 2.1 几种实现方式比较 ............................................................................................. 2 2.2 确定方案 ............................................................................................................. 4 3脉冲分配器的设计 ................................................................................................. 4 3.1 脉冲分配器的硬件部分设计 ............................................................................. 4 3.1.1 XC9572芯片介绍 ............................................................................................. 5 3.1.2 XC9572芯片在设计中有关管脚功能分析 ..................................................... 6 3.2 脉冲分配器的软件部分设计及波形仿真 ......................................................... 8 3.2.1 VHDL语言的特点和基本结构 .......................................................................... 8 3.2.2 控制逻辑分析 .................................................................................................. 9 3.2.3 分频模块的设计和波形仿真 .........................................................................11 3.2.4 脉冲分配状态机的设计和波形仿真 ............................................................ 14 3.2.5 整个脉冲分配器芯片的顶层实体实现 ........................................................ 18 3.3 设计综合输出 ................................................................................................... 18 4放大电路选用 ....................................................................................................... 18 5步进电机的选用 ................................................................................................... 20 5.1 磁阻式步进电机的工作原理 ........................................................................... 20 5.2 磁阻式步进电机按设计要求的工作方式 ....................................................... 21 5.2.1 三相六拍工作 ................................................................................................ 21 5.2.2 双三拍工作 .................................................................................................... 23 6 结 束 语................................................................................................................ 23 参考文献 .................................................................................................................. 25 致 谢 .................................................................................................................... 24 附 录 .................................................................................................................... 26 附录1 顶层文件程序清单 ...................................................................................... 26 附录2 分频程序清单 ............................................................................................. 28 附录3 脉冲分配程序清单 ..................................................................................... 33

盐城工学院本科生毕业设计说明书（2007）

基于CPLD的多功能脉冲分配器的设计 1 概 述

步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的一种机电式数模转换器。每当输入一个脉冲时，转轴便转过一个固定的机械角度。步进电机旋转的角位移与输入脉冲的个数成正比，其转速与输入脉冲的频率也成正比，其转动方向由输入脉冲对绕组加电的顺序决定。它具有快速起停、精确步进、没有累积误差且能直接接受数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。尤其在数控设备、航空、导弹等工业中一般都采用步进电机作为伺服执行元件。

步进电机要依靠专门的设备（步进电机驱动控制器）才能运行。对实际的步进电机控制系统来说，脉冲分配器是整个系统的核心电路。系统框图如图1-1所示。

图1-1 步进电机控制系统框图

常用的步进电机控制系统采用专用控制器或者微机控制。而传统的控制器往往使控制系统成本较高，而且性能不稳定。微机控制用软件进行控制，程序量较大，占用CPU时间较多，而且抗干扰能力差。因此用户在使用传统驱动控制时往往需要做许多工作，才可实现按设计要求控制步进电机，有时甚至不能够完成控制任务。随着步进电机应用范围的不断扩大，以及适应当今产品智能化的要求，设计结构简单、功能实用的智能步进电机脉冲分配器系统十分必要。

脉冲分配器作为步进电机控制器中的核心设备，设计中可采用功能强大的硬件描述语言设计具有多种输出模式的脉冲分配器；还可对输入脉冲分配器的时钟信号进行分频，实现步进电机调速范围选择。同时脉冲分配器可采用可编程逻辑器件为控制芯片，它能控制指令按照一定顺序和分配方式传送到功率放大器，经过放大后控制步进电机的绕组按照预先规定的工作方式通、断电，驱动电机转子旋转。

所设计的多功能脉冲分配器技术要求如下：1、可以输出两种脉冲：一种为双三拍，另一种为三相六拍；2、有一个模式键来切换输出形式，当功能键按下时为

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