EDA應(yīng)用技術(shù) 第2版 課件 01-二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案云臺(tái)具有廣泛的應(yīng)用，一般在需要搖動(dòng)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，都可以應(yīng)用云臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如機(jī)械臂、安防和監(jiān)控的支架、航模自動(dòng)控制等。PWM(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制/脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、通信、功率控制與變換等領(lǐng)域中。本項(xiàng)目以二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)為載體，利用PWM精確控制二自由度云臺(tái)的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，介紹基于FPGA的PWM控制器的設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)(1)能用VHDL程序描述矩陣式鍵盤(pán)控制電路。(2)能用VHDL程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示。(3)能用VHDL程序描述PWM控制信號(hào)。(4)能使用QuartusPrime軟件對(duì)設(shè)計(jì)中的多個(gè)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行單獨(dú)綜合、仿真、調(diào)試。(5)能利用原理圖和文本輸入相結(jié)合的方法描述數(shù)字電子系統(tǒng)。(1)了解舵機(jī)工作原理。(2)了解PWM原理與應(yīng)用。(3)熟悉矩陣鍵盤(pán)工作原理。(4)熟悉數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示工作原理。(5)掌握VHDL程序的自頂向下模塊化設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方法。(6)掌握IP功能模塊的使用方法。(1)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的專(zhuān)業(yè)精神。(2)培養(yǎng)一絲不茍的職業(yè)精神。(3)培養(yǎng)精益求精的工匠精神。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案任務(wù)描述用FPGA最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)二自由度舵機(jī)云臺(tái)的精確控制,功能要求：①輸入采用4×4矩陣式鍵盤(pán)，矩陣式鍵盤(pán)輸入旋轉(zhuǎn)角度值，精確控制二自由度舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。②在4×4矩陣式鍵盤(pán)上定義功能鍵，實(shí)現(xiàn)二舵機(jī)的角度增加與減小，二舵機(jī)的角度改變，可單獨(dú)改變，也可同時(shí)改變。③采用四位數(shù)碼管同步顯示顯示二舵機(jī)角度值改變。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案用FPGA最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)二自由度舵機(jī)云臺(tái)的精確控制,設(shè)計(jì)要求：在Quartusprime20.1軟件平臺(tái)上，用VHDL程序設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)控制電路、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路、舵機(jī)控制電路；用ModelSim-Altera2020.1仿真軟件仿真檢查設(shè)計(jì)結(jié)果；選用FPGA最小系統(tǒng)板、2自由度舵機(jī)云臺(tái)、矩陣式鍵盤(pán)、數(shù)碼管等硬件資源進(jìn)行硬件驗(yàn)證。任務(wù)描述項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案1.矩陣式鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)是排布類(lèi)似于矩陣的鍵盤(pán)組，是一種常見(jiàn)的人機(jī)對(duì)話(huà)輸入裝置。在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少控制端口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖8.1所示。圖8.1矩陣鍵盤(pán)項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案1.矩陣式鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)

矩陣式鍵盤(pán)由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，如圖8.2所示。鍵盤(pán)控制器順序掃描各列線(xiàn)將其置為低電平，然后根據(jù)行線(xiàn)上的電平變化來(lái)確定是哪個(gè)按鍵按下。圖8.24×4矩陣鍵盤(pán)原理圖項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案1.矩陣式鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)圖8.3矩陣式鍵盤(pán)控制器模塊的原理圖矩陣式鍵盤(pán)控制器模塊的原理圖，如圖8.3所示。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案1.矩陣式鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)根據(jù)矩陣式鍵盤(pán)控制器模塊的功能，矩陣式鍵盤(pán)控制器模塊電路的設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：①矩陣鍵盤(pán)的列掃描控制和行編碼譯碼。本設(shè)計(jì)采用矩陣鍵盤(pán)控制器輸出列掃描信號(hào)，然后根據(jù)輸入的行編碼信號(hào)進(jìn)行譯碼。掃描信號(hào)由kbcol[3]~kbcol[0]進(jìn)入鍵盤(pán)，變化的順序依次為1110、1101、1011、0111、1110。每一次掃描一列，依次周而復(fù)始。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案1.矩陣式鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)根據(jù)上面所述原理，可得到各按鍵與行、列編碼的關(guān)系如表8.1所示。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案1.矩陣式鍵盤(pán)控制器設(shè)計(jì)②機(jī)械式按鍵的防抖設(shè)計(jì)。由于機(jī)械式按鍵在按下和彈起的過(guò)程中均有5~10ms的信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間，在信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法有效判斷按鍵值，因此需對(duì)按鍵進(jìn)行防抖設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用對(duì)按鍵狀態(tài)連續(xù)記錄的方式防抖動(dòng)，即在按鍵按下或彈起后連續(xù)8個(gè)時(shí)鐘周期按鍵信號(hào)均相同，才確認(rèn)1次按鍵有效，從而避免按鍵按下和彈起過(guò)程中的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。③按鍵數(shù)值的移位寄存。由于需要用4位數(shù)表示舵機(jī)與旋轉(zhuǎn)角度值，而鍵盤(pán)1次只能輸入1位數(shù)據(jù)，因此，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)，然后調(diào)用。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案2.數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示設(shè)計(jì)本項(xiàng)目的旋轉(zhuǎn)角度值采用4位數(shù)表示，需要4個(gè)數(shù)碼管。單個(gè)數(shù)碼管（以共陽(yáng)極性為例）包括小數(shù)點(diǎn)是由8段發(fā)光二極管組成，其中，7段(A~G)發(fā)光二極管的不同亮滅組成不同的數(shù)字，另一個(gè)發(fā)光二極管(P)控制小數(shù)點(diǎn)的顯示，如圖8.4所示。圖8.48段共陽(yáng)數(shù)碼管原理圖項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案2.數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示設(shè)計(jì)如果采用動(dòng)態(tài)掃描的方式來(lái)控制4位數(shù)碼管的顯示，可大大減少FPGA的輸入輸出引腳資源。所謂動(dòng)態(tài)掃描是指每個(gè)數(shù)碼管不是一直顯示，而是每隔一定時(shí)間顯示一次，只要間隔時(shí)間足夠短，由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，在視覺(jué)上是一直顯示的。動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的原理圖，如圖8.5所示。圖8.5動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管連接原理圖項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案3.舵機(jī)PWM控制信號(hào)設(shè)計(jì)舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，它是高性能的數(shù)字控制的可調(diào)速的電機(jī)，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)。圖8.5舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1)舵機(jī)簡(jiǎn)介。舵機(jī)主要由外殼、控制電路、直流電機(jī)、減速齒輪組與位置檢測(cè)器構(gòu)成，如圖8.5所示。標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有三條控制線(xiàn)組成，分別為電源、地及控制信號(hào)線(xiàn)，如圖8.6所示。圖8.6舵機(jī)控制線(xiàn)示意圖項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案3.舵機(jī)PWM控制信號(hào)設(shè)計(jì)

(2)舵機(jī)工作原理及參數(shù)。本項(xiàng)目采用MG99501舵機(jī)，其控制信號(hào)是周期為20ms的PWM信號(hào)，當(dāng)脈沖寬度為0.5ms~2.5ms時(shí)，相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置為0~180度，呈線(xiàn)性變化。因而，每增加1度增加的脈寬為(2500-500)/180=11.11μs。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案3.舵機(jī)PWM控制信號(hào)設(shè)計(jì)

(3)舵機(jī)PWM控制信號(hào)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用的FPGA最小系統(tǒng)板的工作頻率為50MHz，即周期為20ns的脈沖，舵機(jī)的PWM控制信號(hào)可通過(guò)分頻產(chǎn)生。脈沖寬度計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度N=脈寬/20ns，如0度時(shí)，脈寬為0.5ms，則脈寬計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度為(0.5×106)/20=25000。根據(jù)舵機(jī)PWM控制信號(hào)要求可知，脈寬度計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度cnt=25000+n×[(2×106)/180]/20，其中n值為旋轉(zhuǎn)的角度值。部分脈沖寬度與舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及脈寬度計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度的關(guān)系如表8.2所示，其它角度可根據(jù)脈寬與角度改變呈線(xiàn)性變化計(jì)算。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案4.二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)模塊功能本項(xiàng)目的二自由度云臺(tái)控制器，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求可分為：鍵盤(pán)控制模塊、動(dòng)態(tài)顯示控制模塊、ROM模塊、PWM1與PWM2生成模塊。鍵盤(pán)控制模塊的功能:在系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的控制下，生成鍵盤(pán)列掃描信號(hào)，根據(jù)鍵盤(pán)行信號(hào)編碼確定舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度的值分別輸出給動(dòng)態(tài)顯示控制模塊顯示數(shù)值，輸出給ROM模塊轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度值，設(shè)置舵機(jī)1（水平舵機(jī)）、舵機(jī)2（垂直舵機(jī)）的PWM模塊的脈寬計(jì)數(shù)器，控制PWM的脈寬；產(chǎn)生確定角度值生效的控制信號(hào)；產(chǎn)生角度選擇信號(hào)分別控制舵機(jī)1與舵機(jī)2；產(chǎn)生控制舵機(jī)1與舵機(jī)2角度改變的信號(hào)。項(xiàng)目8二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方案4.二自由度云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)模塊功能動(dòng)態(tài)顯示控制模塊的功能：在系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的控制下，產(chǎn)生位掃描信號(hào)，并根