基于FPGA的電機測速系統設計

摘要：研究的是基于FPGA的電機測速系統設計。該設計以有源晶振來產生時基信號，利用歐姆龍光電編碼器E682-CWZ6C360P／R將轉速信號轉變為頻率信號，采用數碼管動態顯示來顯示測量所得的數值。FPGA模塊的編寫是基于Altera公司的Quartus II軟件進行編寫的，采用的芯片型號為EP2C5T144C8N。FPGA模塊是利用VHDL語言進行編寫，利用Quartus II軟件自帶的仿真軟件進行仿真，通過觀察仿真波形來驗證模塊是否正確。本設計可以實現小數值的方波頻率測量和電機轉速測量。
關鍵詞：FPGA；電機測速；VHDL；模塊化設計

隨著電子設備及電子產品逐漸向低功耗、小體積、多功能和快速更新的方向發展，使得電子設計自動化(EDA)技術快速發展。由于成本和功耗的進一步降低，在許多的領域運用到了可編程門陣列即FPGA，它在通信、儀器、網絡、數據處理、工業控制、軍事和航空航天等眾多領域有著廣泛的應用。
現場可編程門陣列即FPGA(Field Programmable Gate Array)，是從EPLD、PAL、GAL等這些可編程器件的基礎上進一步發展起來的。作為專業集成電路領域中的半定制電路而出現的FPGA，不但解決了定制電路的不足，而且克服了原有可編程器件因門電路數有限的而產生的缺點。FPGA的使用十分的靈活，同一片FPGA只要使用不同的程序就能夠達到不同的電路功能?，F在FPGA在通信、儀器、網絡、數據處理、工業控制、軍事和航空航天等眾多領域有著廣泛的應用。隨著成本和功耗的進一步降低，將在更多的領域運用FPGA。
基于FPGA的電機測速系統設計，以Quartus II為設計平臺，采用硬件描述語言VHDL和模塊化設計的方式，并通過數碼管驅動電路動態顯示測量的結果。本設計具有外圍電路少，集成度高，可靠性強等特點，可以用來測量電機的轉速值。

1 外圍電路設計
傳感器將電機轉速的模擬信號轉換成數字脈沖信號送入FPGA模塊。同時由基準時鐘電路產生準確的時鐘信號和復位電路產生的復位信號送入FPGA模塊。再由FPGA模塊產生分頻電路、十進制計數器電路、數據處理電路和顯示譯碼電路。由分頻電路將送入的基準時鐘信號進行分頻，得到一個閘門信號，作為十進制計數器的使能信號。數據處理電路的作用是將十進制計數器得到的數據進行相應的處理后，再送入顯示譯碼電路進行轉換譯碼。電機測速系統的總體框圖如圖1所示。外圍電路分為：基準時基電路，復位電路，傳感器測量電路和顯示電路。

1．1 基準時基電路設計
基準時基電路采用50 MHz的有源晶振，3．3 V電源通過FB5接入有源晶振的VCC端口，同時通過C10和C11濾去高頻干擾信號。從OUT端口輸出50 MHz的時鐘信號。晶振電路如圖2所示。
1．2 復位按鍵的設計
按鍵作為嵌入式智能控制系統中人機交互的常用接口，我們通常會通過按鍵向系統輸入各種信息，調整各種參數或者發出控制指令，按鍵的處理是一個很重要的功能模塊，它關系到整個系統的交互性能，同時也影響系統的穩定性。在本次設計中，通過按鍵實現了FPGA模塊的手動復位。復位按鍵如圖3所示。