eda直流電機(jī)測控儀課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 FPGA背景</p><p>　　目前以高速集成硬件描述語言（VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過簡 單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比

2、如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗(yàn)板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。 </p><p>　　FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度

3、要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。</p><p>　　1.2 FPGA發(fā)展前景 </p

4、><p>　　FPGA技術(shù)正處于高速發(fā)展時期，新型芯片的規(guī)模越來越大，成本也越來越低，低端的FPGA已逐步取代了傳統(tǒng)的數(shù)字元件，高端的FPGA不斷在爭奪ASIC的市場份額。先進(jìn)的ASIC生產(chǎn)工藝已經(jīng)被用于FPGA的生產(chǎn)，越來越豐富的處理器內(nèi)核被嵌入到高端的FPGA芯片中，基于FPGA的開發(fā)成為一項(xiàng)系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工程。隨著半導(dǎo)體制造工藝的不同提高，F(xiàn)PGA 的集成度將不斷提高，制造成本將不斷降低，其作為替代ASIC 來實(shí)現(xiàn)

5、電子系統(tǒng)的前景將日趨光明。</p><p>　　(1) 大容量、低電壓、低功耗FPGA</p><p>　　大容量FPGA 是市場發(fā)展的焦點(diǎn)。FPGA 產(chǎn)業(yè)中的兩大霸主：Altera和Xilinx在超大容量FPGA上展開了激烈的競爭。2007年Altera推出了65nm工藝的StratixIII系列芯片，其容量為67200個L E (Logic Element，邏輯單元)，Xilinx推出

6、的65nm工藝的VitexVI系列芯片，其容量為33792個Slices (一個Slices約等于2個L E)。采用深亞微米(DSM)的半導(dǎo)體工藝后,器件在性能提高的同時，價(jià)格也在逐步降低。由于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)展，對FPGA 的低電壓、低功耗的要日益迫切。因此，無論那個廠家、哪種類型的產(chǎn)品,都在瞄準(zhǔn)這個方向而努力。</p><p>　　(2) 系統(tǒng)級高密度FPGA</p><p>　　隨

7、著生產(chǎn)規(guī)模的提高,產(chǎn)品應(yīng)用成本的下降，F(xiàn)PGA 的應(yīng)用已經(jīng)不是過去的僅僅適用于系統(tǒng)接口部件的現(xiàn)場集成，而是將它靈活地應(yīng)用于系統(tǒng)級(包括其核心功能芯片)設(shè)計(jì)之中。在這樣的背景下，國際主要FPGA 廠家在系統(tǒng)級高密度FPGA 的技術(shù)發(fā)展上，主要強(qiáng)調(diào)了兩個方面：FPGA 的IP( Intellec2tual Property ，知識產(chǎn)權(quán))硬核和IP軟核。當(dāng)前具有IP內(nèi)核的系統(tǒng)級FPGA的開發(fā)主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是FPGA 廠商將IP硬核

8、(指完成版圖設(shè)計(jì)的功能單元模塊)嵌入到FPGA 器件中，另一方面是大力擴(kuò)充優(yōu)化的IP軟核(指利用HDL語言設(shè)計(jì)并經(jīng)過綜合驗(yàn)證的功能單元模塊)，用戶可以直接利用這些預(yù)定義的、經(jīng)過測試和驗(yàn)證的IP 核資源,有效地完成復(fù)雜的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　(3) FPGA和ASIC出現(xiàn)相互融合</p><p>　　雖然標(biāo)準(zhǔn)邏輯ASIC 芯片尺寸小、功能強(qiáng)、功耗低，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且有批量要求

9、。FPGA價(jià)格較低廉，能在現(xiàn)場進(jìn)行編程，但它們體積大、能力有限，而且功耗比ASIC大。正因如此，F(xiàn)PGA和ASIC正在互相融合，取長補(bǔ)短。隨著一些ASIC制造商提供具有可編程邏輯的標(biāo)準(zhǔn)單元，F(xiàn)PGA 制造商重新對標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元發(fā)生興趣。</p><p>　　(4) 動態(tài)可重構(gòu)FPGA</p><p>　　動態(tài)可重構(gòu)FPGA是指在一定條件下芯片不僅具有在系統(tǒng)重新配置電路功能的特性，而且還具有在

10、系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)電路邏輯的能力。對于數(shù)字時序邏輯系統(tǒng)，動態(tài)可重構(gòu)FPGA的意義在于其時序邏輯的發(fā)生不是通過調(diào)用芯片內(nèi)不同區(qū)域、不同邏輯資源來組合而成，而是通過對FPGA 進(jìn)行局部的或全局的芯片邏輯的動態(tài)重構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的。動態(tài)可重構(gòu)FPGA在器件編程結(jié)構(gòu)上具有專門的特征，其內(nèi)部邏輯塊和內(nèi)部連線的改變，可以通過讀取不同的SRAM中的數(shù)據(jù)來直接實(shí)現(xiàn)這樣的邏輯重構(gòu)，時間往往在納秒級，有助于實(shí)現(xiàn)FPGA系統(tǒng)邏輯功能的動態(tài)構(gòu)。</p><

11、;p>　　1.3 課程設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)中使用Altera公司的EP2C35系列的FPGA芯片，利用SOPC-NIOSII-EP2C35開發(fā)板直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)模塊等資源，實(shí)現(xiàn)一個直流電機(jī)測控儀。</p><p>　?。?）基本技能掌握：</p><p>　　1 掌握時鐘作用下頻率的控制</p><p>　　2 掌

12、握十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3 掌握16位的鎖存器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4 掌握顯示譯碼功能的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　（2）基本功能要求</b></p><p>　　1 利用旋轉(zhuǎn)電位器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制</p><p>　　2 利用PWM信號實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制</p&g

13、t;<p>　　3 利用8位動態(tài)七段碼管顯示實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的顯示</p><p>　?。?）擴(kuò)展功能選擇性要求</p><p>　　1 利用4×4鍵盤陣列實(shí)現(xiàn)鍵盤轉(zhuǎn)速的控制</p><p>　　2 利用16*16點(diǎn)陣顯示實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速級別的顯示</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)原理</b></p&

14、gt;<p>　　2.1 直流電機(jī)測控總原理</p><p>　　直流電機(jī)測控儀總體設(shè)計(jì)硬件由圖2.1所示，F(xiàn)PGA為Altera公司的EP2C35系列，輸入設(shè)備有時鐘、4*4鍵盤、霍爾器件和警報(bào)控制開關(guān)。時鐘采用1MHZ,4*4鍵盤給FPGA輸入一個4位數(shù)組信號，霍爾器件輸入計(jì)數(shù)脈沖。輸出設(shè)備有直流電機(jī)、8位7段字符LED數(shù)碼管、16*16點(diǎn)陣LED，直流電機(jī)可采用直接由旋鈕控制轉(zhuǎn)速或者PWM控制

15、轉(zhuǎn)速，8位7段字符LED數(shù)碼管顯示每分鐘轉(zhuǎn)速，16*16點(diǎn)陣LED顯示速度級別。</p><p>　　圖2.1：總體設(shè)計(jì)硬件框架圖</p><p>　　2.2 直流電機(jī)與霍爾器件驅(qū)動</p><p>　　將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過， 由于電磁作用，這樣電樞導(dǎo)體將會產(chǎn)生磁場。同時產(chǎn)生的磁場與主磁極的的磁場產(chǎn)生電磁力，這個電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)

16、子以一定的速度開始旋轉(zhuǎn)，這樣電機(jī)就開始工作。</p><p>　　圖2.2：直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了能夠測定出電機(jī)在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了多少個周期，我們在電機(jī)的外部電路中加入了一個開關(guān)型的霍爾器件，同時在電子轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)盤上加入了一個能夠使霍爾原件產(chǎn)生輸出的帶有磁場的磁鋼片。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，帶動轉(zhuǎn)盤是的磁鋼片一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鋼片旋轉(zhuǎn)到霍爾器件的上方時，可以導(dǎo)致霍爾器件的輸出端高電

17、平變?yōu)榈碗娖?。?dāng)磁鋼片轉(zhuǎn)過霍爾器件上方后，霍爾器件的輸出端又恢復(fù)高電平輸出。這樣電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，則會使霍爾器件的輸出端產(chǎn)生一個低脈沖，我們就可以通過檢測單位時間內(nèi)霍爾器件輸出端低脈沖的個數(shù)來推算出直流電機(jī)在單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)和開關(guān)型霍爾器件的電路原理圖如下圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3：直流電機(jī)、霍爾器件電路圖</p><p>　　直流電機(jī)驅(qū)動有兩種方式，其一是可以由

18、模擬電平來驅(qū)動，把電路圖上4與3短接，可以旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)箱左邊的旋鈕，調(diào)節(jié)旋鈕的可以控制速度；其二是通過PWM控制，把電路圖的6與5短接，PWM信號高電位選通三極管，讓直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，不過為了讓直流電機(jī)獲得較大的轉(zhuǎn)速，同樣要把電機(jī)左邊的旋鈕調(diào)到比較大的位置。</p><p><b>　　2.3 鍵盤驅(qū)動</b></p><p>　　對鍵盤的電位掃描，就可以確定當(dāng)前的鍵有沒有被

19、按下。單個按鍵電路如圖2.4所示，在按鍵沒有被按下時，在判斷電位點(diǎn)可以獲取高電位，在鍵被按下時，在判斷電位為低電位，這樣可以通過判斷點(diǎn)電位的高低即可確定按鍵有沒有被按下。</p><p>　　圖2.4：單個按鍵電路圖</p><p>　　4*4的鍵盤與FPGA連接圖如下圖3.4所示，掃描鍵盤由FPGA的8個控制端口確定，控制行端口設(shè)置為buffer模式，控制列端口設(shè)置為in模式，掃描鍵盤的

20、方法為先給第一行鍵盤為低電平，其余行列為高電平，讀取縱列的電位值，如果沒鍵被按下，在電位判斷端口獲取的為高電位，如果有鍵按下，電位判斷點(diǎn)的電平不全為零，由電位值的第幾位為零就可以確定當(dāng)前行那個鍵被按下，依次對四行鍵盤掃描，掃描結(jié)束輸出4位數(shù)組的信號，以告訴那個鍵被按下。</p><p>　　圖2.5: 4*4鍵盤電路圖</p><p>　　2.4 8位7段數(shù)碼管的驅(qū)動</p>

21、<p>　　七段數(shù)碼管是電子開發(fā)過程中常用的輸出顯示設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的是兩個四位一體、共陰極型七段數(shù)碼管。其單個靜態(tài)數(shù)碼管如下圖2.6所示。高點(diǎn)平點(diǎn)亮數(shù)碼管相應(yīng)的數(shù)碼段。</p><p>　　圖2.6 ：靜態(tài)七段數(shù)碼管</p><p>　　圖2.7：8位7段數(shù)碼管的驅(qū)動</p><p>　　如圖2.7 的8位7段數(shù)碼管的連接，由于七段數(shù)碼管公共端

22、連接到GND（共陰極型），當(dāng)數(shù)碼管的中的那一個段被輸入高電平，則相應(yīng)的這一段被點(diǎn)亮。反之則不亮。四位一體的七段數(shù)碼管在單個靜態(tài)數(shù)碼管的基礎(chǔ)上加入了用于選擇哪一位數(shù)碼管的位選信號端口。八個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h、dp都連在了一起，8個數(shù)碼管分別由各自的位選信號來控制，被選通的數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，其余關(guān)閉。</p><p>　　2.5 16*16點(diǎn)LED陣列驅(qū)動</p><p>　

23、　單個的LED的電路如下圖2.8所示，對于單個LED的電路圖當(dāng)Rn輸入一個高電平，同時Cn輸入一個低電平時，電路形成一個回路，LED發(fā)光。也就是LED點(diǎn)陣對應(yīng)的這個點(diǎn)被點(diǎn)亮。</p><p>　　圖2.8：單個LED電路圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)要完成速度級別（0到15）在點(diǎn)陣LED上的顯示， 16*16點(diǎn)陣LED掃描的工作原理與8位掃描數(shù)碼管類似，只是顯示的方式與結(jié)果不一樣而已。16

24、*16點(diǎn)陣由此256個LED通過排列組合而形成16行*16列的一個矩陣式的LED陣列。</p><p>　　圖2.9：16*16點(diǎn)陣硬件圖</p><p>　　16*16點(diǎn)陣LED驅(qū)動時，依次選通LED點(diǎn)陣行端口，每次只能選通一個端口(Cn)，字符譯碼的第N列結(jié)果在列端口（Rn）輸入，通過高速依次點(diǎn)亮led點(diǎn)陣就可看到led點(diǎn)陣上顯示的數(shù)字。</p><p>　　2

25、.6 PWM控制的原理</p><p>　　PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效地獲得所需要的波形。</p><p>　　如下圖2.10所示，設(shè)定值計(jì)數(shù)器設(shè)置PWM信號的占空比。當(dāng)U\D=1，輸入CLK2，使設(shè)定值計(jì)數(shù)值的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)U\D=０，輸入CLK2使設(shè)定值計(jì)算器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機(jī)轉(zhuǎn)

26、速變慢。在CLK０的作用下，鋸齒波計(jì)數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當(dāng)計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時，數(shù)字比較器輸出低電平；當(dāng)計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。旋轉(zhuǎn)反向控制電路控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向和啟/停，該電路由兩個２選１多路選擇器組成，Z\F鍵控制選擇PWM波形從正端Z進(jìn)入H橋，還是從負(fù)端進(jìn)入H橋，以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。START鍵通過“與”門控制PWM的輸出，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的工作/停止控制。Ｈ橋電路由大功率晶體管

27、組成，PWM波形通過方向控制電路送到H橋，經(jīng)功率放大以后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。</p><p>　　圖2.10 PWM控制電路原理圖</p><p><b>　　3 程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 總體程序設(shè)計(jì)思路</p><p>　　程序總體設(shè)計(jì)分為時鐘控制信號模塊、十進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、pw

28、m控制模塊、十六位鎖存模塊、彩色led及蜂鳴器控制模塊。設(shè)計(jì)思路為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對霍爾器件的脈沖數(shù)計(jì)數(shù)，時鐘控制在到了六秒時將計(jì)數(shù)值鎖存到16位鎖存器，顯示模塊的7段數(shù)碼管顯示鎖存器所鎖存的值，同時鍵盤模塊送出鍵盤所按得鍵值，由點(diǎn)陣LED顯示數(shù)值。</p><p>　　3.2 時鐘控制信號程序設(shè)計(jì)</p><p>　　時鐘控制信號中要為下級鎖存模塊提供鎖存控制型號，同時為計(jì)數(shù)模塊提使能和清

29、零信號，為蜂鳴器提供1khz的時鐘。設(shè)計(jì)當(dāng)中由Cnttemp對1MHZ的上升緣計(jì)數(shù)來產(chǎn)生1HZ的信號（Cnttemp<5000送出高電平，Cnttemp>5000送出低電平），Count對秒信號計(jì)數(shù)，鎖存控制信號在第六秒結(jié)束時送出，清零信號在第7秒送出，所以要先產(chǎn)生秒脈沖。</p><p><b>　　1M的時鐘</b></p><p>　　是

30、 否</p><p>　　小于 等于 大于</p><p><b>　　輸出</b></p><p>　　圖3.1：時鐘控制信號流程圖</p><p>　　注：Enal為輸出控制計(jì)數(shù)器的使能信號。</p><p>　　Clr為輸

31、出控制計(jì)數(shù)器的清零信號。</p><p>　　Load為輸出控制鎖存器的鎖存信號。</p><p>　　圖3.2： 時鐘控制信號模塊</p><p>　　3.3 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器程序設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)當(dāng)中要顯示當(dāng)前直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而要4位十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，對轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)當(dāng)中只需要設(shè)計(jì)一位十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，設(shè)計(jì)當(dāng)中特別注意對進(jìn)位脈沖

32、的處理。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)流程如下：</b></p><p><b>　　計(jì)數(shù)脈沖</b></p><p><b>　　是</b></p><p>　　是 否</p>

33、;<p>　　圖3.3：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器程序設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　注：CLR為外部輸入的清零信號。</p><p>　　ENA為外部輸入的計(jì)數(shù)使能信號。</p><p>　　十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值到了9時，計(jì)數(shù)值重新到零，同時在歸零的同時輸出進(jìn)位脈沖。</p><p>　　圖3.4十進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊</p&

34、gt;<p>　　3.4 鎖存模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　16位鎖存模塊設(shè)計(jì)較為簡單，只有在控制信號為高電平時鎖存當(dāng)前輸入的信號值，在低電平時保持鎖存被鎖存的輸入信號。</p><p>　　是 否</p><p>　　圖3.5: 16位鎖存器設(shè)計(jì)流程</p><p>　　注：IN為1

35、6位輸入信號，OUT為16位輸出信號，LOAD為輸入鎖存信號。</p><p>　　信號DIN對IN信號進(jìn)行保存，只有在LOAD=’1’時才把IN信號保存到DIN，DIN再傳遞給OUT。</p><p>　　圖3.6: 16位鎖存模塊</p><p>　　3.5 PWM控制信號程序設(shè)計(jì)</p><p>　　PWM控制信號為驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的使

36、能信號，PWM控制由四個輸入信號控制pwm的占空比，本設(shè)計(jì)當(dāng)中最高為15/16，由控制信號”1111”獲得，最低為0，由控制信號”0000”獲得。</p><p><b>　　流程如</b></p><p><b>　　時鐘1MHZ</b></p><p><b>　　是</b></p>

37、<p><b>　　否</b></p><p><b>　　輸出pwm控制信號</b></p><p>　　圖3.7：PWM控制流程圖</p><p>　　注：DATAIN為輸入數(shù)據(jù)大小</p><p>　　COUNT對時鐘從0到16000循環(huán)計(jì)數(shù)，當(dāng)COUNT=0時把輸出電平置為高電平

38、，COUNT=輸入值*1000時把輸出電平置為低電平，這樣就可以通過外部輸入控制占空比，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3.8：PWM控制模塊</p><p>　　3.6 鍵盤掃描及顯示模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　(1)鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)</p><p>　　PWM控制直流電機(jī)是通過掃描鍵盤的按鍵來控制方波的占空比，所按

39、得鍵值越來，方波的占空比越大，最高可達(dá)15/16，最低為0。鍵盤掃描輸出為一個4為的數(shù)組。掃描簡單的來所就是給行低電平，看列獲得的電位就可確定在此行所按下的鍵。大體流程如下：</p><p><b>　　時鐘1MHZ輸入</b></p><p>　　是 否</p><p><

40、b>　　判斷按鍵</b></p><p><b>　　輸出相應(yīng)鍵值</b></p><p>　　圖3.9：鍵盤掃描流程圖</p><p>　　鍵盤模塊大體設(shè)計(jì)思路為，由信號COUNT對時鐘0到3循環(huán)計(jì)數(shù)，在CONT=N時對第N列掃描，判斷列端電位，確定當(dāng)前按鍵的鍵位，輸出鍵值。</p><p>　?。?

41、）顯示模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示模塊分為兩部分，分別為8位7段數(shù)碼管led和16*16點(diǎn)陣LED，由于硬件連接的沖突（7段數(shù)碼管的7段與點(diǎn)陣led的列的低8列連接在FPGA的統(tǒng)一管腳），因此把這兩個顯示部分在統(tǒng)一模塊在驅(qū)動，分時段分別驅(qū)動8位7段數(shù)碼管led和16*16點(diǎn)陣LED。</p><p>　　時鐘1MHZ </p><p>　　是

42、 否</p><p>　　圖3.10：顯示模塊程序流程</p><p>　　顯示程序中，我們把十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的百、十、個位數(shù)輸入，分別在8位7段數(shù)碼管上的第三、四、五位顯示，設(shè)計(jì)當(dāng)中，只記錄六秒鐘的轉(zhuǎn)速，顯示的為每分鐘的轉(zhuǎn)速，因此第六位LED數(shù)碼管顯示0，其他數(shù)碼管顯示橫線。在設(shè)計(jì)當(dāng)中要注意對輸入的4位數(shù)組譯成LED數(shù)碼

43、管能顯示的7段碼（如”0001”譯碼為“01100000“）。點(diǎn)陣LED顯示也需要譯碼，按每列譯碼。點(diǎn)陣LED每次點(diǎn)亮一列，高速點(diǎn)亮就可以在陣面上看到顯示漢字或者數(shù)字。</p><p>　　圖3.11：鍵盤掃描及顯示模塊 </p><p>　　3.7警報(bào)控制及彩色LED模塊程序設(shè)計(jì) </p><p>　　此模塊為自己添加的設(shè)計(jì)模塊，考慮到

44、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將其劃分為高、中、低三個等次，高速為轉(zhuǎn)速超過4000R/MIN，低速為轉(zhuǎn)速低于2000R/MIN，中速介于兩者之間，用紅、綠、藍(lán)三個彩色LED 顯示當(dāng)前的速度屬于哪個速度層次。設(shè)計(jì)當(dāng)中另外把5000R/MIN 設(shè)為警戒速度，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過警戒速度時，就會觸發(fā)警報(bào)（揚(yáng)聲器發(fā)出間隔為1 秒的的響聲），當(dāng)然超過警戒速度的警報(bào)是可以通過警報(bào)開關(guān)關(guān)閉的。</p><p>　　圖3.12：警報(bào)控制及彩色LED

45、模塊</p><p><b>　　設(shè)計(jì)過程介紹</b></p><p><b>　　4.1 設(shè)計(jì)過程</b></p><p><b>　?。?）測速顯示</b></p><p>　　當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，帶動轉(zhuǎn)盤是的磁鋼片一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鋼片旋轉(zhuǎn)到霍爾器件的上方時，可以導(dǎo)致霍爾器件的輸出

46、端高電平變?yōu)榈碗娖?。?dāng)磁鋼片轉(zhuǎn)過霍爾器件上方后，霍爾器件的輸出端又恢復(fù)高電平輸出。這樣電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，則會使霍爾器件的輸出端產(chǎn)生一個低脈沖，我們就可以通過檢測單位時間內(nèi)霍爾器件輸出端低脈沖的個數(shù)來推算出直流電機(jī)在單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常是指每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是單位為rpm，實(shí)際測量過程中，為了減少轉(zhuǎn)速刷新的時間，通常都是5～10秒刷新一次。如果每6秒鐘刷新一次，那么相當(dāng)于只記錄了

47、6秒鐘內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，把記錄的數(shù)據(jù)乘10即得到一分鐘的轉(zhuǎn)速。最后將這個數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示出來。為了使顯示的數(shù)據(jù)能夠在數(shù)碼管是顯示穩(wěn)定，在這個數(shù)據(jù)的輸出時加入了一個16位的鎖存器，把鎖存的數(shù)據(jù)送給數(shù)碼管顯示，這樣就來會因?yàn)樵谟?jì)數(shù)過程中，數(shù)據(jù)的變化而使數(shù)碼管顯示不斷變化。</p><p>　?。?）pwm產(chǎn)生控制</p><p>　　通過控制占空比，從而達(dá)到控制直流電機(jī)控制。用按鍵先預(yù)設(shè)一個速度

48、值，讓電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)值比較，如果不相等，就調(diào)節(jié)占空比使之達(dá)到預(yù)設(shè)值</p><p>　　4.2 遇到的問題及解決方案</p><p>　　問題一：PWM 控制方式下，直流電機(jī)速度太低</p><p>　　解決方法：初始在用時，發(fā)現(xiàn)只有用旋律控制時，直流電機(jī)的速度才能提升，在PWM控制時，速度很低。我最初以為是PWM的周期太長，后發(fā)現(xiàn)將周期縮短依然無濟(jì)于事，

49、哪怕PWM信號占空比到了1，直流電機(jī)的速度依然非常低。后來查閱了電路圖發(fā)現(xiàn)，PWM信號只是在高電位選通三極管來驅(qū)動直流電機(jī)，而決定直流電機(jī)所獲得的電壓由電機(jī)左邊的旋鈕控制，因此只需要把旋鈕調(diào)大即可提高PWM控制方式下的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　問題二：數(shù)碼管顯示的速度跳動很大</p><p>　　解決方法：通過把占空比從100分頻調(diào)到1000，這樣占空比沒變化1速度的變化就會減

50、少。</p><p><b>　　4.3 設(shè)計(jì)體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)為期2周，在這兩周中，我們經(jīng)歷了從什么都不懂，到有些了解，到逐漸熟悉EDA各軟件使用，及VHDL語言的運(yùn)用幾個過程。在此過程中我學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的東西，同時也鞏固了以前所學(xué)的知識。在做子模塊編寫的時候遇到了很多問題，開始時什么都不知道，就到網(wǎng)上搜集資料，查看老師給的資料，

51、再不懂的就問老師，后來弄清了其中的原理后，經(jīng)過多次練習(xí)，逐漸能夠解決編寫程序中的問題，把模塊編寫出來。然而，在仿真時，也遇到了一點(diǎn)困難,想要的結(jié)果不能得到正確的顯示，但是經(jīng)過對結(jié)果的一點(diǎn)點(diǎn)分析，從錯誤中思考產(chǎn)生錯誤的原因，修改電路圖，最終得到想要的結(jié)果，完成了本次課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從

52、理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力，才能真正為社會服務(wù)。</p><p>　　在此，也要感謝同組的成員，我基礎(chǔ)不好，很多都不懂，感謝他在這兩周的無私幫助，細(xì)心講解，還要感謝給予我們悉心指導(dǎo)的老師，在這兩周中，多虧您們不厭其煩的指教。謝謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 《SOP

53、CIIEDA實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》（第二版）</p><p>　　[2] 《SOPCII使用手冊》（第二版）</p><p>　　[3] 《EDA技術(shù)基礎(chǔ)》. 譚會生編著. 湖南大學(xué)出版社，2004</p><p>　　[4] 《EDA技術(shù)實(shí)用教程（第二版），潘松、黃繼業(yè)編著 ，科學(xué)出版社 ,2005</p><p><b>　　附錄A：設(shè)

54、計(jì)程序</b></p><p>　　時鐘控制信號模塊程序</p><p>　　library ieee;</p><p>　　use ieee.std_logic_1164.all;</p><p>　　use ieee.std_logic_arith.all;</p><p>　　use ieee.std

55、_logic_unsigned.all;</p><p>　　--------------------------------------------------------------------</p><p>　　entity teltcl is</p><p>　　port( Clk : in std_logic; --時鐘輸入1M

56、hz</p><p>　　ena : out std_logic; --允許計(jì)數(shù)</p><p>　　clr : out std_logic; --計(jì)數(shù)器清零信號產(chǎn)生</p><p>　　clkhz : out std_logic; --秒脈沖信號產(chǎn)生</p><p>　　c

57、lkkhz : out std_logic; --1KHZ脈沖產(chǎn)生</p><p>　　load : out std_logic --鎖存、顯示輸出允許</p><p><b>　　); </b></p><p>　　end teltcl;</p><p>　　-----

58、---------------------------------------------------------------</p><p>　　architecture behave of teltcl is</p><p>　　signal clk1hz :std_logic;--1HZ時鐘信號</p><p>　　signal clk1khz

59、:std_logic;</p><p>　　signal count : std_logic_vector(2 downto 0);--6秒計(jì)數(shù)</p><p>　　signal clr1 :std_logic;--清零信號</p><p>　　signal ena1 :std_logic;--允許計(jì)數(shù)信號</p>&

60、lt;p>　　signal load1 :std_logic;--允許計(jì)數(shù)信號</p><p>　　signal cq1,cq2,cq3,cq4 : INTEGER RANGE 0 TO 15;--計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　process(clk) --1HZ信號產(chǎn)生&l

61、t;/p><p>　　variable cnttemp : INTEGER RANGE 0 TO 999999;</p><p>　　variable count : integer range 0 to 999;</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　IF clk='1'

62、AND clk'event THEN </p><p>　　IF cnttemp=999999 THEN cnttemp:=0; </p><p><b>　　ELSE </b></p><p>　　IF cnttemp<500000 THEN clk1hz<='1'; </p><p&g

63、t;　　ELSE clk1hz<='0'; </p><p><b>　　END IF; </b></p><p>　　cnttemp:=cnttemp+1; </p><p><b>　　END IF; </b></p><p>　　if count=999 then cou

64、nt:=0;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　if count<500 then clk1khz<='1';</p><p>　　else clk1khz<='0';</p><p><b>　　end if;</b>

65、;</p><p>　　count:=count+1;</p><p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　clkhz<=clk1hz;clkkhz<=clk1khz;</p><p>　　

66、end process;</p><p>　　process(Clk1hz)--6秒計(jì)數(shù)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(Clk1hz'event and Clk1hz='1') then</p><p>　　count<=count+1;</

67、p><p>　　if count<6 then</p><p>　　ena1<='1';load1<='0';clr1<='0';</p><p>　　elsif count=6 then</p><p>　　load1<='1';ena1&l

68、t;='0';clr1<='0';</p><p>　　elsif count=7 then</p><p>　　ena1<='0';load1<='0';clr1<='1';</p><p><b>　　end if;</b><

69、;/p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　ena<=ena1; load<=load1;clr<=clr1;</p><p>　　end process;</p><p>　　end behave;</p><p>　　十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊程序 </

70、p><p>　　LIBRARY IEEE;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; </p><p>　　ENTITY CNT10 IS</p><p>　　PORT (CLK:IN STD_LOGIC; --計(jì)數(shù)時鐘信號</p><p>　　CLR:IN STD_L

71、OGIC; --清零信號</p><p>　　ENA:IN STD_LOGIC; --計(jì)數(shù)使能信號</p><p>　　CQ :OUT INTEGER RANGE 0 TO 15;--4位計(jì)數(shù)結(jié)果輸出</p><p>　　CARRY_OUT:OUT STD_LOGIC); --計(jì)數(shù)進(jìn)位</p><p>　　END

72、 CNT10;</p><p>　　ARCHITECTURE ART OF CNT10 IS </p><p>　　SIGNAL CQI :INTEGER RANGE 0 TO 15;</p><p><b>　　BEGIN</b></p><p>　　PROCESS(CLK,ENA) IS</p>&l

73、t;p><b>　　BEGIN</b></p><p>　　IF CLR= '1' THEN CQI<= 0; ----計(jì)數(shù)器異步清零</p><p>　　elsIF CLK'EVENT AND CLK= '1' THEN </p><p>　　IF ENA

74、= '1' THEN </p><p>　　iF CQI=10 THEN cqi<=1;</p><p>　　ELSE CQI<=cqi+1;</p><p>　　END IF; ----等于9，則計(jì)數(shù)器清零</p><p><b>　　END IF;</b></p>&l

75、t;p><b>　　END IF;</b></p><p>　　END PROCESS;</p><p>　　PROCESS (CQI) IS</p><p><b>　　BEGIN</b></p><p>　　IF CQI=10 THEN CARRY_OUT<= '1'

76、; ----進(jìn)位輸出</p><p>　　ELSE CARRY_OUT<= '0';</p><p><b>　　END IF;</b></p><p>　　END PROCESS;</p><p><b>　　CQ<=CQI;</b></p>&l

77、t;p><b>　　END ART;</b></p><p><b>　　鍵盤掃描及顯示程序</b></p><p>　　library ieee;</p><p>　　use ieee.std_logic_1164.all;</p><p>　　use ieee.std_logic_ari

78、th.all;</p><p>　　use ieee.std_logic_unsigned.all;</p><p>　　--------------------------------------------------------------------</p><p>　　entity exp13 is</p><p>　　port(

79、Clk : in std_logic; --時鐘信號</p><p>　　buff1,buff2,buff3,buff4 : in integer range 0 to 9;</p><p>　　Kr : in std_logic_vector(3 downto 0); --

80、鍵盤行</p><p>　　Kc : buffer std_logic_vector(3 downto 0); --鍵盤列</p><p>　　a,b,c,d,e,f,g,dp : out std_logic;</p><p>　　Sa,sb,sc : buffer

81、std_logic; --七段碼管片選</p><p>　　dot_c : OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);</p><p>　　dot_r : out std_logic_vector(7 downto 0);</p><p>　　yangbo

82、 : out integer range 0 to 15;</p><p>　　led : out std_logic_vector(7 downto 0)</p><p><b>　　);</b></p><p>　　end exp13;</p><p&g

83、t;　　--------------------------------------------------------------------</p><p>　　architecture behave of exp13 is</p><p>　　signal keyr,keyc : std_logic_vector(3 downto 0);</p><p&g

84、t;　　signal kcount : std_logic_vector(2 downto 0);</p><p>　　signal dcount : std_logic_vector(1 downto 0);</p><p>　　signal kflag1,kflag2 : std_logic;</p><p>　　signal buf

85、f8 : integer range 0 to 15;</p><p>　　signal Disp_Temp : integer range 0 to 15; --掃描鍵值</p><p>　　signal Disp_Decode : std_logic_vector(7 downto 0);</p><p>　　signal s

86、 : std_logic_vector(3 downto 0);</p><p>　　signal key : std_logic_vector(15 downto 0);</p><p>　　FUNCTION seg_code(a: in integer) return std_logic_vector is</p>

87、<p><b>　　begin</b></p><p><b>　　case a is</b></p><p>　　when 0=>return "00111111"; --'0'</p><p>　　when 1=>return "00000110

88、"; --'1'</p><p>　　when 2=>return "01011011"; --'2'</p><p>　　when 3=>return "01001111"; --'3'</p><p>　　when 4=>return

89、"01100110"; --'4'</p><p>　　when 5=>return "01101101"; --'5'</p><p>　　when 6=>return "01111101"; --'6'</p><p>　　when

90、 7=>return "00000111"; --'7'</p><p>　　when 8=>return "01111111"; --'8'</p><p>　　when 9=>return "01101111"; --'9'</p>&

91、lt;p>　　when 10=>return "01110111"; --'A'</p><p>　　when 11=>return "01111100"; --'b'</p><p>　　when 12=>return "00111001"; --'C'

92、;</p><p>　　when 13=>return "01011110"; --'d'</p><p>　　when 14=>return "01111001"; --'E'</p><p>　　when 15=>return "01110001";

93、 --'-'</p><p>　　when others=>return "00000000"; --全滅</p><p>　　end case; </p><p>　　end seg_code;</p><p><b>　　begin</b></p>&

94、lt;p>　　yangbo<=buff8;</p><p>　　Disp_Temp<=buff8;</p><p>　　a<=Disp_Decode(0);</p><p>　　b<=Disp_Decode(1);</p><p>　　c<=Disp_Decode(2);</p><p&

95、gt;　　d<=Disp_Decode(3);</p><p>　　e<=Disp_Decode(4);</p><p>　　f<=Disp_Decode(5);</p><p>　　g<=Disp_Decode(6);</p><p>　　dp<=Disp_Decode(7);</p><p

96、>　　process(clk) --掃描鍵盤 </p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(Clk'event and Clk='1') then </p><p>　　if(Kr="1111") then</p><p>　　kfl

97、ag1<='0';</p><p>　　kcount<=kcount+1;</p><p>　　if(kcount=0) then</p><p>　　kc<="1110";</p><p>　　elsif(kcount=1) then</p><p>　　kc&l

98、t;="1101";</p><p>　　elsif(kcount=2) then</p><p>　　kc<="1011";</p><p><b>　　else</b></p><p>　　kc<="0111"; </p><

99、p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　kflag1<='1';</p><p><b>　　keyr<=Kr;</b></p><p><b>　　keyc<=

100、Kc;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　kflag2<=kflag1;</p><p><b>　　end if; </b></p><p>　　end process; </p><p>　　process

101、(Clk) -- 獲取鍵值</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(Clk'event and Clk='1') then</p><p>　　if(kflag1='1' and kflag2='0') then</p><p>

102、　　if(keyr="0111") then</p><p>　　case keyc is</p><p>　　when "0111"=>buff8<=1; </p><p>　　when "1011"=>buff8<=4; </p><p>　　when

103、"1101"=>buff8<=7; </p><p>　　when "1110"=>buff8<=14; </p><p>　　when others=>buff8<=buff8; --no change</p><p><b>　　end case;</b>

104、;</p><p>　　elsif(keyr="1011") then</p><p>　　case keyc is</p><p>　　when "0111"=>buff8<=2; </p><p>　　when "1011"=>buff8<=5; &l

105、t;/p><p>　　when "1101"=>buff8<=8; </p><p>　　when "1110"=>buff8<=0; </p><p>　　when others=>buff8<=buff8; --no change</p><p>&l

106、t;b>　　end case;</b></p><p>　　elsif(keyr="1101") then</p><p>　　case keyc is</p><p>　　when "1110"=>buff8<=15; </p><p>　　when "110

107、1"=>buff8<=9; </p><p>　　when "1011"=>buff8<=6; </p><p>　　when "0111"=>buff8<=3;</p><p>　　when others=>buff8<=buff8; --no chan

108、ge</p><p><b>　　end case;</b></p><p>　　elsif(keyr="1110") then</p><p>　　case keyc is</p><p>　　when "1110"=>buff8<=13; </p>

109、<p>　　when "1101"=>buff8<=12; </p><p>　　when "1011"=>buff8<=11; </p><p>　　when "0111"=>buff8<=10;</p><p>　　when others=>buff

110、8<=buff8; --no change</p><p><b>　　end case;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end if; </p><p><b>　　end if; <

111、/b></p><p>　　end process;</p><p>　　process(clk)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(clk'event and clk='1') then --掃描累加 </p><p>

112、　　dcount<=dcount+1;</p><p>　　case dcount is</p><p>　　when "00"=> Disp_Decode<=seg_code(buff1);</p><p>　　when "01"=> Disp_Decode<=seg_code(buff2);

113、</p><p>　　when "10"=> Disp_Decode<=seg_code(buff3);</p><p>　　when "11"=> Disp_Decode<=seg_code(buff4);</p><p><b>　　end case;</b></p>

114、;<p>　　sa<=dcount(0);</p><p>　　sb<=dcount(1);</p><p><b>　　sc<='0';</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;<

115、/p><p>　　process (clk)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (clk'event and clk='1')then</p><p><b>　　s<=s+"1";</b></p>

116、<p>　　if (s="1111") then</p><p>　　s<="1000";</p><p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process; &

117、lt;/p><p>　　process (s)</p><p><b>　　begin</b></p><p><b>　　case s is</b></p><p>　　when "1000"=>dot_r<="01111111"; </p&g

118、t;<p>　　when "1001"=>dot_r<="10111111";</p><p>　　when "1010"=>dot_r<="11011111";</p><p>　　when "1011"=>dot_r<="111

119、01111"; </p><p>　　when "1100"=>dot_r<="11110111";</p><p>　　when "1101"=>dot_r<="11111011"; </p><p>　　when "1110"=&

120、gt;dot_r<="11111101"; </p><p>　　when "1111"=>dot_r<="11111110";</p><p>　　when others=>dot_r<="11111111"; </p><p>　　end case; &

121、lt;/p><p>　　end process;</p><p>　　process(s,Disp_Temp)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (Disp_Temp=0) then </p><p>　　led<="11000000"

122、; --十位LED顯示0 </p><p><b>　　case s is</b></p><p>　　when "1000"=>dot_c<=not"111111111

123、1111111"; --列顯示0</p><p>　　when "1001"=>dot_c<=not"1111000000001111";</p><p>　　when "1010"=>dot_c<=not"1110111111110111";</p><p

124、>　　when "1011"=>dot_c<=not"1101111111111011";</p><p>　　when "1100"=>dot_c<=not"1101111111111011";</p><p>　　when "1101"=>dot_c&

125、lt;=not"1110111111110111";</p><p>　　when "1110"=>dot_c<=not"1111000000001111";</p><p>　　when "1111"=>dot_c<=not"1111111111111111";&l

126、t;/p><p>　　when others=>dot_c<="0000000000000000";</p><p>　　end case; </p><p>　　elsif (Disp_Temp=1) then</p><p>　　led<="11000000";

127、 --十位LED顯示0 </p><p><b>　　case s is</b></p><p>　　when "1000"=>dot_c<=not"1111111111111111";

128、--顯示1</p><p>　　when "1001"=>dot_c<=not"1011111110111111";</p><p>　　when "1010"=>dot_c<=not"1011111111101111";</p><p>　　when "

129、;1011"=>dot_c<=not"1011111111110111";</p><p>　　when "1100"=>dot_c<=not"1000000000000011";</p><p>　　when "1101"=>dot_c<=not"101