EDA技术的概念第13章.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),表13-1 行扫描

2、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_UNSIGNED.ALL;ENTI

3、TY 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_VECTOR(4 DOWNTO 0);-行同步/横彩条生成 SIGNAL LL:STD_

4、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)=(GRBP(2)XOR MD)AND HS1 AND VS1;GRB(3)=(GRBP(3)XOR MD)AND HS1 AND

5、 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=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

6、 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);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;PROC

7、ESS(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 THEN 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 T

8、HEN GRBY=101;ELSIF LL 240 THEN GRBY=100;ELSIF LL 300 THEN GRBY=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_log

9、ic_1164.all;ENTITY 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);end component;c

10、omponent 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;signalrgb:STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);signalclk25MHz:std_logic;signalromaddr:STD_LOGIC_VECTOR(11 downto 0);signalhpos,vpos:std_logic_vector(9 downt

11、o 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 IEEEuse IEEE.std_logic_1164.all;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity vga640480 isport(clk:in STD_LOGIC;hs,vs,r,g,b:out ST

12、D_LOGIC;rgbin:in std_logic_vector(2 downto 0);hcntout,vcntout:out std_logic_vector(9 downto 0);end vga640480;architecture ONE of vga640480 issignal hcnt,vcnt:std_logic_vector(9 downto 0);beginhcntout 0);end if;end if;end process;process(clk)beginif(rising_edge(clk)thenif(hcnt=640+8)thenif(vcnt 0);en

13、d if;（接下页）,KX康芯科技,end if;end if;end process;process(clk)beginif(rising_edge(clk)thenif(hcnt=640+8+8)and(hcnt=480+8+2)and(vcnt480+8+2+2)then vs=0;else vs=1;end if;end process;process(clk)beginif(rising_edge(clk)thenif(hcnt640 and vcnt480)thenr=rgbin(2);g=rgbin(1);b=rgbin(0);else r=0;g=0;b=0;end if;en

14、d 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,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

15、-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CNT8LIBRARY IEEE;-8进制计数器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD

16、_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT8 IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC;CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END CNT8;ARCHITECTURE 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

17、康芯科技,【例13-5】-元件DEC2LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY Dec2 IS PORT(CLK:IN STD_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

18、;END PROCESS;PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN 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CNT24LIBRARY 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;ARC

19、HITECTURE behav OF CNT24 IS SIGNAL 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

20、_1.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 BEGIN0: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;18:000f;19:600f;1a:900f;1b:c00f;1c:f00f

21、;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 FPGA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】

22、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_VECTOR(1 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CQ)BEGIN CASE CQ IS WHEN 00=D D

23、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.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT5 IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC;AA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1);EN

24、D 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);END 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

25、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FPGA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

26、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；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

27、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imgrom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

28、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.sof，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

29、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、Y2、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

30、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。,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

31、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 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

32、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；F1HZ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。,