基于Nios II步進(jìn)電機(jī)控制器IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 根據(jù)Nios II處理器的Avalon總線(xiàn)規(guī)范，設(shè)計(jì)了一款面向步進(jìn)電機(jī)的控制器IP核。該定制IP核采用軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，功能符合Avalon總線(xiàn)的讀寫(xiě)傳輸時(shí)序，具有完備的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力。仿真結(jié)果表明，該IP核具有很好的可重用性。利于開(kāi)源共享提高開(kāi)發(fā)效率。
關(guān)鍵詞 SOPC；IP核；FPGA；步進(jìn)電機(jī)控制器

隨著系統(tǒng)級(jí)芯片集成度越來(lái)越高，SOPC技術(shù)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。它是利用FPGA器件的可編程性進(jìn)行SOC設(shè)計(jì)，其最突出優(yōu)點(diǎn)是在提供豐富IP庫(kù)的情況下，用戶(hù)可以利用IP庫(kù)中的組件按需求來(lái)搭建系統(tǒng)，有較大的靈活性。但是在供應(yīng)商提供的IP庫(kù)中沒(méi)有用戶(hù)所需的IP核時(shí)，用戶(hù)只能根據(jù)需要自定義IP核。另外，F(xiàn)PGA的傳統(tǒng)應(yīng)用是在通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。鑒于此，設(shè)計(jì)了一款步進(jìn)電機(jī)控制器IP核，它具有對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)拍數(shù)進(jìn)行控制的功能。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是通過(guò)按一定順序切換每相線(xiàn)圈中的電流，以達(dá)到旋轉(zhuǎn)切換步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程。其中，步進(jìn)電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速與各繞組中輸入脈沖的頻率成正比，轉(zhuǎn)向則取決于控制繞組中的通電順序。步進(jìn)電機(jī)按其勵(lì)磁相數(shù)可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相制式。其中工業(yè)常用的是三相、四相勵(lì)磁制式。其中三相制式又包括單三拍(A—B—C—A)方式及雙三拍(AB—BC—CA—AB)方式，而四相制式則有三種常見(jiàn)方式，即雙四拍(AB—BC—CD—DA—AB)方式；單四拍(A—B—C—D—A)方式；單、雙八拍(A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A)方式。

2 步進(jìn)電機(jī)控制器IP核設(shè)計(jì)
對(duì)于面向Nios II處理器開(kāi)發(fā)的所有IP核，包括從設(shè)備IP核和主設(shè)備IP核兩大類(lèi)。文中設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器IP核是一個(gè)受控對(duì)象，屬于從設(shè)備。Nios II處理器通過(guò)Avalon總線(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器IP核的寄存器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的一系列操作。其中Avalon總線(xiàn)接口規(guī)范的功能是它定義了信號(hào)類(lèi)型、信號(hào)的行為及傳輸類(lèi)型等信息。
一個(gè)典型的IP核由硬件文件、軟件文件及組件描述文件組成，步進(jìn)電機(jī)控制器IP核也嚴(yán)格按照規(guī)范來(lái)編寫(xiě)。它的硬件文件由多個(gè)HDL模塊組合完成硬件設(shè)計(jì)，其中包括邏輯任務(wù)模塊、寄存器模塊及接口模塊，其原理如圖1所示，軟件文件則由寄存器頭文件、驅(qū)動(dòng)文件組成。Nios II開(kāi)發(fā)工具自2006年公布新版本以后，軟件可以自動(dòng)生成組件描述文件。

2．1 硬件文件設(shè)計(jì)
IP核設(shè)計(jì)部分中的邏輯任務(wù)模塊根據(jù)寄存器模塊傳遞的參數(shù)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)控制所需的脈沖信號(hào)；寄存器模塊則用來(lái)存儲(chǔ)Avalon總線(xiàn)傳來(lái)的參數(shù)，包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁相數(shù)、正／反轉(zhuǎn)參數(shù)、節(jié)拍數(shù)等；接口模塊是一個(gè)符合Avalon規(guī)范的接口，起著連接Avalon總線(xiàn)與IP核寄存器模塊橋梁的作用。