淺談關(guān)于CPLD的多路可控脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘 要： 針對伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中的脈沖發(fā)送需求問題，提出了一種利用DDS技術(shù)，以單片機(jī)和CPLD為硬件基礎(chǔ)的脈沖輸出頻率、個(gè)數(shù)可控的脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。利用Quartus II軟件進(jìn)行了波形仿真并分析了結(jié)果。研究結(jié)果表明，采用該方案實(shí)現(xiàn)的脈沖發(fā)生器具有體積小、成本低和可靠性高等特點(diǎn)，而且該脈沖發(fā)生器控制簡單，輸出脈沖頻率控制精度高，滿足了伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中的脈沖發(fā)送需求。

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，伺服電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。伺服電機(jī)主要靠脈沖來定位，其基本的工作原理是伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)的角度來實(shí)現(xiàn)位移，而脈沖的頻率會(huì)影響電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度［1］。同時(shí)，自動(dòng)化過程中，常常需要多個(gè)伺服電機(jī)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。因此，研究能夠輸出多路頻率、脈沖數(shù)可控的脈沖發(fā)生器就很有必要。由于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有I/O口多、設(shè)計(jì)靈活、集成度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)［2］，因此，本設(shè)計(jì)以CPLD為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種脈沖頻率、脈沖個(gè)數(shù)都可控的脈沖發(fā)生器。

1 脈沖發(fā)生器整體系統(tǒng)框圖

根據(jù)要求所需，設(shè)計(jì)了圖1所示的脈沖發(fā)生器系統(tǒng)。上位機(jī)發(fā)送脈沖頻率、個(gè)數(shù)等命令，通過RS485通信給單片機(jī)，單片機(jī)再將命令通過數(shù)據(jù)總線傳遞給CPLD，CPLD的I/O輸出多路可控脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，CPLD為整個(gè)脈沖發(fā)生器系統(tǒng)的核心所在。

2 脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理

CPLD部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)所用的CPLD芯片為Altera公司的EPM1270T144，采用VHDL語言，外部晶振時(shí)鐘頻率為25 MHz。CPLD內(nèi)部有預(yù)分頻、地址譯碼模塊、輸入緩沖、DDS分頻模塊及計(jì)數(shù)器模塊，數(shù)據(jù)、地址復(fù)用總線位寬8位。

2.1 地址譯碼模塊

CPLD中設(shè)計(jì)了三路脈沖輸出，這就使得計(jì)數(shù)模塊、分頻模塊需要多組寄存器來存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)了地址譯碼模塊方便單片機(jī)與之?dāng)?shù)據(jù)通信。14、24、34（十六進(jìn)制）分別對應(yīng)計(jì)數(shù)器模塊內(nèi)三個(gè)脈沖個(gè)數(shù)寄存器的地址，可讀寫寄存器的值；10、20、30（十六進(jìn)制）分別是DDS分頻模塊內(nèi)三個(gè)頻率控制字M的寄存器地址，可寫入寄存器的值；地址96（十六進(jìn)制）對應(yīng)的寄存器低三位控制三路脈沖輸出使能。

2.2 輸入輸出緩沖

為構(gòu)成芯片內(nèi)部的總線系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)的寫入讀出都能正確，輸入輸出緩沖采用雙向端口的總線電路。設(shè)計(jì)程序如下：

entity bustri is

port

datain：in std_logic_vector（7 downto 0）；

rd_en：in std_logic；

wr_en：in std_logic；

tridata：inout std_logic_vector（7 downto 0）；

dataout：out std_logic_vector（7 downto 0））；

end bustri；

architecture one of bustri is

begin

process（wr_en，tridata）

begin

if wr_en=′0′ then

dataout《=tridata；

else dataout《=“ZZZZZZZZ”；

end if；

end process；

process（rd_en，datain）

begin

if（rd_en=′0′）then

tridata《=datain；

else tridata《=“ZZZZZZZZ”；

end if；

end process；

單片機(jī)先通過數(shù)據(jù)、地址復(fù)用總線給CPLD輸入地址，地址譯碼模塊將地址譯碼，使對應(yīng)的寄存器輸入使能；再通過輸入輸出緩沖寫頻率、脈沖個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)給對應(yīng)的寄存器；然后將脈沖輸出使能，即可使脈沖輸出。

2.3 DDS分頻模塊

DDS分頻模塊用來控制輸出脈沖的頻率。DDS技術(shù)是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的頻率合成技術(shù)［3］。DDS分頻模塊由相位累加器、正余弦波形查找表ROM存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成，其基本原理框圖如圖3所示。相位累加器在系統(tǒng)時(shí)鐘控制下產(chǎn)生正余弦波形查找表ROM的地址，相位溢出頻率即正余弦波輸出頻率。

通過改變頻率控制字的大小就可以改變輸出信號(hào)的頻率。記頻率控制字為M，正余弦波相位寄存器為N位，系統(tǒng)時(shí)鐘為fc，則輸出信號(hào)的頻率fout可表示為fout=M·fc/2N。它的頻率精度是由相位累加器或者是調(diào)整字的比特?cái)?shù)決定的，即輸入的參考頻率除以2N，就決定了DDS所能夠?qū)崿F(xiàn)的頻率精度［4］，因此其頻率分辨率為fmin=fc/2N。同時(shí)，通過給相位累加器額外加一個(gè)相位控制字K，可以控制輸出信號(hào)的初始相位。

圖3中，外部晶振fc為25 MHz，通過預(yù)分頻模塊進(jìn)行四分頻，變?yōu)?.25 MHz，作為DDS分頻模塊的輸入時(shí)鐘fc。頻率控制字M為15位，相位寄存器21位。查找表內(nèi)存放方波數(shù)據(jù)。因此，可根據(jù)上述公式計(jì)算得出輸出脈沖頻率的精度為3 Hz，變化范圍約為3 Hz~100 kHz。DDS模塊內(nèi)有三個(gè)相同的頻率控制模塊，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4中，設(shè)計(jì)的頻率控制字查找表是256×15的ROM存儲(chǔ)器，存放了在3 Hz~100 kHz范圍內(nèi)均勻采樣256個(gè)離散點(diǎn)的頻率，所對應(yīng)的頻率控制字M的值。其地址范圍為00~FF（十六進(jìn)制），低地址對應(yīng)小的M值，M值隨地址的增大而增大。M字的位寬為15位，數(shù)據(jù)總線8位，如正常寫數(shù)據(jù)需要寫兩次，利用頻率控制字查找表可以更加方便地設(shè)置頻率控制字，寫一次數(shù)據(jù)就可以改變M字的值。方波查找表內(nèi)存放的是256×1的方波數(shù)據(jù)。單片機(jī)寫入地址10、20、30（十六進(jìn)制）后，通過8位的數(shù)據(jù)線寫00~FF（十六進(jìn)制）值給頻率控制字查找表，查找表將對應(yīng)的M字傳給頻率控制字M的寄存器。經(jīng)過相位累加器累加，累加器的高8位作為地址送入方波查找表，查找表就可以輸出頻率不同的脈沖信號(hào)給計(jì)數(shù)器模塊。

2.4 計(jì)數(shù)器模塊

計(jì)數(shù)器模塊用來控制輸出脈沖的個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器模塊內(nèi)有三組8位的脈沖個(gè)數(shù)寄存器。脈沖個(gè)數(shù)寄存器需要被賦予目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)；待其他寄存器設(shè)置好后，單片機(jī)發(fā)送使能脈沖輸出；DDS分頻模塊發(fā)送頻率不同的脈沖送入計(jì)數(shù)器模塊；計(jì)數(shù)器模塊內(nèi)部計(jì)數(shù)變量會(huì)根據(jù)輸出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累加，當(dāng)計(jì)數(shù)變量累加到目標(biāo)脈沖數(shù)后，計(jì)數(shù)變量停止累加，并且脈沖輸出也會(huì)被停止。

3 脈沖發(fā)生器總體仿真結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)利用Quartus II軟件進(jìn)行波形仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5中，XOSC為外部晶振時(shí)鐘25 MHz；ale為地址使能，下降沿有效；rd為讀使能，低電平有效；wr為寫使能信號(hào)，低電平有效；AD為數(shù)據(jù)總線，顯示方式為十六進(jìn)制；MYA為三路脈沖輸出；地址14對應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)寄存器及地址10對應(yīng)的頻率控制字M的寄存器，控制MYA（0）的脈沖輸出，地址24、20對應(yīng)的寄存器控制MYA（1）輸出，地址34、30對應(yīng)的寄存器控制MYA（2）的脈沖輸出。

由圖5可以看出，地址14對應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)寄存器寫入的值是10，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為16，MYA（0）輸出脈沖個(gè)數(shù)即為16；地址24對應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)寄存器寫入的值是05，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為5，MYA（1）輸出脈沖個(gè)數(shù)即為5；地址10對應(yīng)的頻率控制字M的寄存器寫入的值是FF，對應(yīng)的M值最大，即輸出頻率應(yīng)為100 kHz，而圖5中，時(shí)間長度從230 ？滋s~270 ？滋s間，MYA（0）輸出完整脈沖4個(gè)，計(jì)算出MYA（0）輸出脈沖的周期約為10 ？滋s，對應(yīng)頻率即為100 kHz；地址20對應(yīng)的頻率控制字M的寄存器寫入的值是7F，對應(yīng)的M值為最大的一半，即輸出頻率應(yīng)為50 kHz，由圖5可以看出，MYA（1）輸出的脈沖波形頻率為MYA（0）的一半，對應(yīng)即為50 kHz。使能脈沖輸出后，通過寫地址30改寫MYA（2）的頻率控制字M的值由47變?yōu)?1，MYA（2）的脈沖輸出頻率正確改變。由上述分析可得，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)、頻率均能隨著指令的改變而正確改變。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性。

本文介紹了一種利用DDS技術(shù)，通過單片機(jī)和CPLD來實(shí)現(xiàn)的脈沖輸出頻率、個(gè)數(shù)可控的脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，且通過軟件仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。該方案在伺服電機(jī)的控制中也得到了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。采用該方案實(shí)現(xiàn)的脈沖發(fā)生器不僅具有CPLD的體積小、成本低、功耗低、集成度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性高等特點(diǎn)，而且結(jié)合了DDS技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，控制簡單，輸出脈沖頻率控制精度高，滿足了伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中的脈沖發(fā)送需求。

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