基于FPGA的電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：研究的是基于FPGA的電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以有源晶振來產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)，利用歐姆龍光電編碼器E682-CWZ6C360P／R將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)，采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示來顯示測量所得的數(shù)值。FPGA模塊的編寫是基于Altera公司的Quartus II軟件進(jìn)行編寫的，采用的芯片型號(hào)為EP2C5T144C8N。FPGA模塊是利用VHDL語言進(jìn)行編寫，利用Quartus II軟件自帶的仿真軟件進(jìn)行仿真，通過觀察仿真波形來驗(yàn)證模塊是否正確。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)值的方波頻率測量和電機(jī)轉(zhuǎn)速測量。
關(guān)鍵詞：FPGA；電機(jī)測速；VHDL；模塊化設(shè)計(jì)

隨著電子設(shè)備及電子產(chǎn)品逐漸向低功耗、小體積、多功能和快速更新的方向發(fā)展，使得電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)快速發(fā)展。由于成本和功耗的進(jìn)一步降低，在許多的領(lǐng)域運(yùn)用到了可編程門陣列即FPGA，它在通信、儀器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)場可編程門陣列即FPGA(Field Programmable Gate Array)，是從EPLD、PAL、GAL等這些可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的。作為專業(yè)集成電路領(lǐng)域中的半定制電路而出現(xiàn)的FPGA，不但解決了定制電路的不足，而且克服了原有可編程器件因門電路數(shù)有限的而產(chǎn)生的缺點(diǎn)。FPGA的使用十分的靈活，同一片F(xiàn)PGA只要使用不同的程序就能夠達(dá)到不同的電路功能?，F(xiàn)在FPGA在通信、儀器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著成本和功耗的進(jìn)一步降低，將在更多的領(lǐng)域運(yùn)用FPGA。
基于FPGA的電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以Quartus II為設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用硬件描述語言VHDL和模塊化設(shè)計(jì)的方式，并通過數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)態(tài)顯示測量的結(jié)果。本設(shè)計(jì)具有外圍電路少，集成度高，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以用來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。

1 外圍電路設(shè)計(jì)
傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)送入FPGA模塊。同時(shí)由基準(zhǔn)時(shí)鐘電路產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)送入FPGA模塊。再由FPGA模塊產(chǎn)生分頻電路、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路、數(shù)據(jù)處理電路和顯示譯碼電路。由分頻電路將送入的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，得到一個(gè)閘門信號(hào)，作為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)。數(shù)據(jù)處理電路的作用是將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，再送入顯示譯碼電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換譯碼。電機(jī)測速系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。外圍電路分為：基準(zhǔn)時(shí)基電路，復(fù)位電路，傳感器測量電路和顯示電路。

1．1 基準(zhǔn)時(shí)基電路設(shè)計(jì)
基準(zhǔn)時(shí)基電路采用50 MHz的有源晶振，3．3 V電源通過FB5接入有源晶振的VCC端口，同時(shí)通過C10和C11濾去高頻干擾信號(hào)。從OUT端口輸出50 MHz的時(shí)鐘信號(hào)。晶振電路如圖2所示。
1．2 復(fù)位按鍵的設(shè)計(jì)
按鍵作為嵌入式智能控制系統(tǒng)中人機(jī)交互的常用接口，我們通常會(huì)通過按鍵向系統(tǒng)輸入各種信息，調(diào)整各種參數(shù)或者發(fā)出控制指令，按鍵的處理是一個(gè)很重要的功能模塊，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的交互性能，同時(shí)也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本次設(shè)計(jì)中，通過按鍵實(shí)現(xiàn)了FPGA模塊的手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位按鍵如圖3所示。