a69-二自由度云台控制器设计方案

项目8二自由度云台控制器设计方案云台具有广泛的应用，一般在需要摇动和摆动运动的机构中，都可以应用云台来实现，如机械臂、安防和监控的支架、航模自动控制等。PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制/脉冲宽度调制，是利用数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等领域中。本项目以二自由度云台控制器设计为载体，利用PWM精确控制二自由度云台的舵机运动，介绍基于FPGA的PWM控制器的设计方法。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富项目8二自由度云台控制器设计方案教学目标技能目标知识目标1.能用VHDL程序描述矩阵式键盘控制电路。1.了解舵机工作原理。2.能用VHDL程序去现数码营的动态扫描显ZK。2.了解P丽原理与应用。Q舎臣田VHDT鞋序描4术PWM坊吿ll-&3.熟悉矩阵键盘工作原理。4.熟悉数码管动态扫描显示工作原理。4.能使用QuartusII软件对设计中的多个设计文件进行单独综合、仿真、调试。5.掌握VHDL程序的自顶向下模块化设计数字电路5.战利用原理图和文本入相结合的方法fa述数子电的方法。子罕统。6堂樨IPM安功能樽诀的伴用卞法。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»项目8二自由度云台控制器设计方案任务描述用FPGA最小系统板设计控制器，实现对二自由度舵机云台的精确控制，功能要求：①输入采用4X4矩阵式键盘，矩阵式键盘输入旋转角度值，精确控制二自由度舵机的旋转角度。②在4X4矩阵式键盘上定义功能键，实现二舵机的角度增加与减小，二舵机的角度改变，可单独改变，也可同时改变。③采用四位数码管同步显示显示二舵机角度值改变。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»___项目8二自由度云台控制器设计方案任务描述用FPGA最小系统板设计控制器，实现对二自由度舵机云台的精确控制，设计要求：在QuartusII13.0软件平台上，用VHDL程序设计矩阵式键盘控制电路、数码管动态显示电路、舵机控制电路；用ModelSim-Altera10.5b仿真软件仿真检查设计结果；选用FPGA最小系统板、2自由度舵机云台、矩阵式键盘、数码管等硬件资源进行硬件验证。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»___项目8二自由度云台控制器g计方案设计方案1.矩阵式键盘控制器设计矩阵式键盘是排布类似于矩阵的键盘组，是一种常见的人机对话输入装置。在键盘中按键数量较多时，为了减少控制端口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图8.1所示。ITTTIIAX©公23tA5|!61,1曰18Il曰JC||.°;FE|l□f*1LdM|图8.1矩阵键盘电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»项目8二自由度云台控制器设计方案1.矩阵式键盘控制器设计矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，如图8.2所示。键盘控制器顺序扫描各列线将其置为低电平，然后根据行线上的电平变化来确定是哪个按键按下。1杆编阴输？4U———列扫描输A32列扫描输入23列扫描输入1A列扫描输入0j-&0-|0-0。-4扣柏m給41，56B_4.7K仃调堀山2„„。广__j-oo--o0-|OO-1R2_1-1_1行编码输出1—"—89C4.7KJ'oOj-oO「。o'RI~H.........H行编码输出07-^7F_E_D_4.7KI—°I—°RO^C-3J4.7K图8.24X4矩阵键盘原理图电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«1项目8二自由度云台控制器设计方案1.矩阵式键盘控制器设计列拍描信号kbcol[3】kbeol[2]kbcol[l】kbcol[0j矩阵式键盘输出设置数据控制器模块PWM1\2/O皮选抒仏P\VM1\2角度改变仏号的原理图，「0SSE角度确定信y如图8.3所kbrow[0]kbrow[1]kbrow[2]kbrow[3}行编码信号FPGA矩阵键砑控制器-►输HIW小数WHSEH0HH回不O图83矩阵式键盘控制器模块的原理图电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»项目8二自由度云台控制器设计方案1.矩阵式键盘控制器设计根据矩阵式键盘控制器模块的功能，矩阵式键盘控制器模块电路的设计分为3个部分：①矩阵键盘的列扫描控制和行编码译码。本设计采用矩阵键盘控制器输出列扫描信号，然后根据输入的行编码信号进行译码。扫描信号由kbcol[3]"kbcol[0]进入键盘，变化的顺序依次为1110、1101、1011、0111、lllOo每一次扫描一列，依次周而复始。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»___项目8二自由度云台控制器设计方案1.矩阵式键盘控制器设计根据上面所述原理，可得到各按键与行、列编码的关系如表8.1所示。表s.i按键与行、列编码的关系列扫描信号kbcol[3]kbrol[0]行编码信号kbro、v[3]，kbiow[0]按键号01110111101111011401111101*701111110010110111210111011510111101810111110F11010111311011011611011101911011110E11100111A11101011B11101101C11101110D电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»项目8二自由度云台控制器设计方案1.矩阵式键盘控制器设计②机械式按键的防抖设计。由于机械式按键在按下和弹起的过程中均有5~10ms的信号抖动时间，在信号抖动时间内无法有效判断按键值，因此需对按键进行防抖设计。本项目采用对按键状态连续记录的方式防抖动，即在按键按下或弹起后连续8个时钟周期按键信号均相同，才确认1次按键有效，从而避免按键按下和弹起过程中的数据抖动。③按键数值的移位寄存。由于需要用4位数表示舵机与旋转角度值，而键盘1次只能输入1位数据，因此，对输入的数据需要进行存储，然后调用。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«1项目8二自由度云台控制器设计方案2.数码管的动态扫描显示设计本项目的旋转角度值采用4位数表示，需要4个数码管。单个数码管(以共阳极性为例)包括小数点是由8段发光二极管组成，其中，7段(A~G)发光二极管的不同亮灭组成不同的数字，另一个发光二极管(P)控制小数点的显示，如图8.4所示。图8.48段共阳数码管原理图电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»___项目8二自由度云台控制器设计方案2.数码管的动态扫描显示设计如果采用动态扫描的方式来控制4位数码管的显示，可大大减少FPGA的输入输出引脚资源。所谓动态扫描是指每个数码管不是一直显示，而是每隔一定时间显示一次，只要间隔时间足够短，由于人眼的视觉暂留现象，在视觉上是一直显示的。动态扫描数A<HZZkbcHZZFC0—1hdo-CZFE0~~I卜FO-CZI-G0—po-CD300W16W2W3码管的原理图，如图8.5所示。图8.S动态扫描数码管连接原理图电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富»项目8二自由度云台控制器设计方案3.舵机PWM控制信号设计舵机是一种位置伺服的驱动器，它是高性能的数字控制的可调速的电机，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动。(1)舵机简介。舵机主要由外壳、控制电路、直流电机、减速齿轮组与位置检测器构成，如图8.5所示。标准的舵机有三条控制线组成，分别为电源、地及控制电源线VCCO地线GXD控制信号线O信号线，如图8.6所示。图8.6舵机控制线示意图瑜出转轴■减速齿轮组图8.5舵机内部结构电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»项目8二自由度云台控制器设计方案3.舵机PWM控制信号设计(2)舵机工作原理及参数。本项目采用MG99501舵机，其控制信号是周期为20ms的PWM信号，当脉冲宽度为0.5ms〜2.5ms时，相对应舵盘的位置为(P180度，呈线性变化。因而，每增加1度增加的脉宽为(2500-500)/180=11.11us。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»___项目8二自由度云台控制器f计方案3.舵机PWM控制信号设计(3)舵机PWM控制信号设计。本项目采用的FPGA最小系统板的工作频率为50MHz，即周期为20ns的脉冲，舵机的PWM控制信号可通过分频产生。脉冲宽度计数器的长度N二脉宽/20ns,如0度时，脉宽为0.5ms，则脉宽计数器的长度为(0.5X106)/20=25000。根据舵机PWM控制信号要求可知，脉宽度计数器长度cnt=25000+nX[(2X106)/1801/20,其中n值为旋转的角度值。部分脉冲宽度与舵机转动角度及脉宽度计数器长度的关系如表8.2所示，其它角度可根据脉宽与角度改变呈线性变化计算。表S.2脉冲宽度与舵机转动角度及脉宽度计数器长度的关系转动角度04590135ISO脉冲宽度(ms)L0L52?02.5计数器长度250005000075000100000125000电子工业出版社《麗应服术》编制徧«项目8二自由度云台控制器设计方案4.二自由度云台控制器设计模块功能本项目的二自由度云台控制器，根据设计任务要求可分为：键盘控制模块、动态显示控制模块、ROM模块、PWM1与PWM2生成模块。键盘控制模块的功能:在系统时钟信号的控制下，生成键盘列扫描信号，根据键盘行信号编码确定舵机的转动角度，将转动角度的值分别输出给动态显示控制模块显示数值，输出给ROM模块转换为计数器长度值，设置舵机1（水平舵机）、舵机2（垂直舵机）的PWM模块的脉宽计数器，控制PWM的脉宽；产生确定角度值生效的控制信号；产生角度选择信号分别控制舵机1与舵机2;产生控制舵机1与舵机2角度改变的信号。电子工业出版社《EDA应用技术》编制王真富«»项目8二自由度云台控制器设计方案4.二自由度云台控制器设计模块功能动态