EDA应用技术 第2版 课件 01-二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。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素质目标(1)能用VHDL程序描述矩阵式键盘控制电路。(2)能用VHDL程序实现数码管的动态扫描显示。(3)能用VHDL程序描述PWM控制信号。(4)能使用QuartusPrime软件对设计中的多个设计文件进行单独综合、仿真、调试。(5)能利用原理图和文本输入相结合的方法描述数字电子系统。(1)了解舵机工作原理。(2)了解PWM原理与应用。(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。(5)掌握VHDL程序的自顶向下模块化设计数字电路的方法。(6)掌握IP功能模块的使用方法。(1)培养严谨规范的专业精神。(2)培养一丝不苟的职业精神。(3)培养精益求精的工匠精神。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4×4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4×4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。项目8二自由度云台控制器设计方案用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Quartusprime20.1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-Altera2020.1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。任务描述项目8二自由度云台控制器设计方案设计方案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。图8.1矩阵键盘项目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。图8.24×4矩阵键盘原理图项目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图8.3矩阵式键盘控制器模块的原理图矩阵式键盘控制器模块的原理图，如图8.3所示。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、1110。每一次扫描一列，依次周而复始。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。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。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。动态扫描数码管的原理图，如图8.5所示。图8.5动态扫描数码管连接原理图项目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。图8.5舵机内部结构

(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、地及控制信号线，如图8.6所示。图8.6舵机控制线示意图项目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0~180度，呈线性变化。因而，每增加1度增加的脉宽为(2500-500)/180=11.11μs。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。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

(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=脉宽/20ns，如0度时，脉宽为0.5ms，则脉宽计数器的长度为(0.5×106)/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+n×[(2×106)/180]/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。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。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显示控制模块的功能：在系统时钟信号的控制下，产生位扫描信号，并根