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数字系统的 VHDL 设计与仿真
陈景
(信息工程学院电子工程专业)

一、前言
电子系统设计的变革是从八十年代的中期开始的,1984 年 Xilinx 公司发明了现场可编程
门阵列(FPGA),随后出现了大规模复杂可编程逻辑器件(CPLD)。这些器件由于具有用户可
编程的特性,使得电子系统的设计工程师利用与器件相应的 CAD 软件,在办公室或实验室
里就可以设计自己的 ASIC 器件,实现用户规定的各种专门用途;从而促成了数字系统现场
集成技术的产生和发展。本毕业设计根据要求规划如下:

1、设计目标
采用 VHDL 设计方式,用 FPGA 来实现步进电机测试用的脉冲信号发生器功能。
2、目标技术路线
在 EDA 技术平台上,利用硬件描述语言 VHDL 进行数字逻辑的设计,进行系统功能和
时延仿真,其基本功能用 FPGA 实现。
3、设计意义
VHDL 是将来 ASIC 设计的主要发展趋势,通过本毕业设计学习和掌握 VHDL 的设计
方法和系统功能与时延仿真过程。


二、系统功能分析

1、步进电机原理
近来,呈急速发展的 OA、FA(机器人技术)可说缺少不了电机。电机的种类有很多种,上
述这两个领域均利用电机来精密地控制机械的移动量,一般多采用步进电机(Stepping motor,
又称 Pulse motor), 步进电机的最大特征是容易精确控制机械位置。
▓步进电机的特征
(1) 电机的总旋转角度与输入脉冲数之总数成比例,电机的速度与每秒的输入脉冲数目
(脉冲速率:Pulse rate)成比例。
1
图 1 输入脉冲与旋转角之关系
图 1 所示为输入脉冲与旋转角之关系。在实用上,输入脉冲数的单位多为 pps(pulse per
second : 每秒之脉冲数)。
(2) 旋转角误差不会逐步累积

▓测试原理
如果步进电机仅需能够旋转即可的场合,则只要脉冲产生电路所产生的脉冲供给步进
电机即可。但是,在实际上,我们往往需要调节步进电机的旋转速度或旋转量,看看是否符
合我们的要求。测试一个步进电机是否能完全同输入脉冲同步,就需要一个能精确设定脉冲
速率和脉冲总数的脉冲发生器。有了这样的脉冲发生器,就可以控制步进电机完成一系列复
杂的动作,例如加速、减速等。
2、设计要求
本设计要求此脉冲发生器的输出脉冲能完成定速、加速、减速,且速率和加减速度都能
做到连续可调。
(1) 基准时钟 65536 Hz
图 2 脉冲速率与电机旋转速度

(2) 输出脉冲个数设定范围
1~16777215
(3) 输出脉冲速率设定范围
2
1~ 65535 pps(1 pps /step)
(4) 输出脉冲加速度设定范围
733~25000k pps/s
(5) 用 FPGA 实现上述功能


三、设计方法介绍

▓VHDL 技术
20 世纪 90 年代,引起数字系统设计方式发生突破性变革的技术是 VHDL 设计技术。
VHDL 是在 70~80 年代中,由美国国防部资助的 VHSIC 项目开发的产品。[VHDL--Very High
Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language ]作为 IEEE—1076 标准所规
范的硬件描述语言,随着各种 EDA 工具和集成电路厂商的普遍认同和推广,目前正在全球
范围内先进工业国家的电子系统设计领域获得广泛应用。
1、 VHDL 设计原理
VHDL 设计实体是由实体说明(Entity Declaration)和构造体(Architecture Body)组合而成
(见图 3)。实体是能够表达完整系统、电路板、芯片、小函数或逻辑门功能的设计概括。
实体说明----主要描述设计实体的输入和输出(I/O),也可以描述一些参数化的数值。
实体说明可看作一个电路图的符号来理解,其描述一个元件和设计其余部分的连接关系。
构造体----构造体主要用来描述实体的内在,既描述一个实体的功能。VHDL 允许采用
不同的格式来写你的设计的构造。这些格式可以是行为级、数据流和结构化描述方式,或者
是这些格式的任意组合。

2、采用 VHDL 设计综合的过程
通常的设计过程可划分为下述的 5 个步骤:
(1)要求的定义;
(2)用 VHDL 进行设计描述(系统描述与代码设计);
(3)设计综合,设计优化和设计的布局布线;
(4)布局、布线后的设计模块模拟;
(5)器件编程。

3、设计