基于fpga的控制步进电机的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信控制领域，涉及一种基于FPGA的控制步进电机的系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着通信技术、传感器技术、嵌入式操作技术和微电子等技术的高速发展，步进电机的需求和应用的数量日益剧增。步进电机作为执行模块，是电子智能设备的关键部件之一，广泛的应用在计算机控制系统中，步进电机与传统的其它电机不同，它可以接收数字控制信号并将其转化成相应的位移。它作为数字转化的执行器件，只要输入数字信号后，它就会得到相应的位置增量，这种增量位置控制与传统的直流控制相比成本明显降低且控制灵活。
[0003]现有技术一般通过模拟电路来实现控制步进电机的运行，其显著缺点是:电路复杂器件多，此外，也有采用单片机控制步进电机，其虽然减小了系统体积、简化了电路，但其控制需要CPU的频繁参与，这导致了运算时间增加，会影响系统的整体效率，切无法满足高度集成系统的要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于FPGA的控制步进电机的系统，其可以简便、高效地实现对步进电机运行状态的实时调整。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种基于FPGA的控制步进电机的系统，其特征在于，包括:
[0006]开始标志寄存器，用于设置开始标志值，以发起或停止步进电机的运转；
[0007]方向寄存器，用于设置步进电机运行的方向值；
[0008]转速寄存器，用于设置步进电机运行的速度值；
[0009]角度寄存器，用于设置步进电机运行的转动角度值；
[0010]状态转换模块，其由FPGA可编程逻辑器件实现，用于根据所述开始标志寄存器，方向寄存器，转速寄存器和角度寄存器的值来决定输出状态，以控制步进电机的运转。
[0011]本发明的另一目的在于提供一种基于FPGA的控制步进电机的方法，其特征在于，包括:开始标志寄存器设置开始标志值，以发起或停止步进电机的运转；
[0012]方向寄存器设置步进电机运行的方向值；
[0013]转速寄存器设置步进电机运行的速度值；
[0014]角度寄存器设置步进电机运行的转动角度值；
[0015]状态转换模块根据所述开始标志寄存器，方向寄存器，转速寄存器和角度寄存器的值来决定输出状态，以控制步进电机的运转。
[0016]本发明的有益效果为:
[0017]第一，结构简单，包括:开始标志寄存器，用于设置开始标志值，以发起或停止步进电机的运转；方向寄存器，用于设置步进电机运行的方向值；转速寄存器，用于设置步进电机运行的速度值；角度寄存器，用于设置步进电机运行的转动角度值，状态转换模块，其由FPGA可编程逻辑器件实现，用于根据所述开始标志寄存器，方向寄存器，转速寄存器和角度寄存器的值来决定输出状态，以控制步进电机的运转。简化了系统的设计，灵活性强，便于大规模系统的开发，能够实现步进电机的并行多线程控制。
[0018]第二，应用高效，转速寄存器设置步进电机运行的速度值的步骤是通过产生相应频率的系统时钟来实现的，步进电机的角位移量与输入的脉冲个数和频率成线性关系，只要控制脉冲的数量、频率，就可以实现对电机转动的角度和速度控制，电机的方向是通过输出脉冲的相序决定的，也可以通过脉冲实现步进电机方向的控制。步进电机运转状态控制的处理速度更快，工作效率更高，能够实现电机速度和方向的实时调整，并可以克服步进电机起停时存在的丢步和过冲，使得步进电机运行更平稳，定位更精确。
【附图说明】
[0019]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0020]图1是本发明的基于FPGA的控制步进电机的系统的结构原理示意图；
[0021]图2是本发明的基于FPGA的控制步进电机的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0022]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0023]实施例1
[0024]请参照图1，本发明的基于FPGA的控制步进电机的系统包括:开始标志寄存器，用于设置开始标志值，以发起或停止步进电机的运转；方向寄存器，用于设置步进电机运行的方向值；转速寄存器，用于设置步进电机运行的速度值；角度寄存器，用于设置步进电机运行的转动角度值；状态转换模块，其由FPGA可编程逻辑器件实现，用于根据所述开始标志寄存器，方向寄存器，转速寄存器和角度寄存器的值来决定输出状态，以控制步进电机的运转。
[0025]优选地，所述状态转换模块还连接有步进电机驱动单元。
[0026]优选地，还包括接口模块，用于使FPGA通过PCI总线与CPU通信。
[0027]优选地，FPGA芯片主要包括:可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、时钟管理单元、嵌入块式RAM、布线单元、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
[0028]优选地，FPGA利用小型查找表(16 X I RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动1/0，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/o模块。
[0029]优选地，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及个模块之间或模块与I/O间的连接方式，并最终决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了 FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
[0030]优选地，所述可编程输入输出单元是与外界电路的接口部分，用于完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/o物理特性，可以调整驱动电流的大小。
[0031]优选地，外部输入信号可以通过可编程输入输出单元输入到FPGA的内部，也可以直接输入FPGA内部。
[0032]优选地，基本可编程逻辑单元包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路(多路复用器等)和触发器组成。
[0033]优选地，开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。
[0034]优选地，每个基本可编程逻辑单元不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。
[0035]优选地，基本可编程逻辑单元由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。
[0036]优选地，算术逻辑包括一个异或门和一个与门，一个异或门可以实现2bit全加操作，进位逻辑由进位信号和函数复用器组成，用于实现快速的算术加减法操作；4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器。
[0037]优选地，所述进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高基本可编程逻辑单元的处理速度。
[0038]优选地，时钟管理单元用于数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。
[0039]优选地，嵌入块式RAM可被配置为单端口 RAM、双端口 RAM、内容地址存储器以及FIFO等存储结构。
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