基于FPGA的UART指令控制电机实验

实验名称：基于FPGA的UART指令控制电机实验

课程简要信息

课程名称：数字电子技术实验

课程学时：32学时

项目学时：16（8+8）学时

适用专业：电子信息工程、通信工程、自动化等电类专业

学生年级：大二下

设计内容与任务

项目实验实施依托实验室自主开发的FPGA实验箱，QuartusII设计软件、Modelsim仿真软件。

基于FPGA的UART指令控制电机实验，以FPGA为核心通过UART串口与PC上位机连接，PC通过UART向FPGA下发直流电机的控制指令，FPGA对接收到指令进行译码后，控制直流电机驱动电路，实现对电机运动的控制。实验教学过程中让学生：首先明确系统设计的总体要求，重点是功能划分与实现；其次是理解UART通信的基本原理；并掌握基于PWM的直流电机控制原理；最后能独立完成系统的设计、仿真和验证。

基本功能：

（1）以FPGA为核心，PC通过UART接口下达指令；

（2）对UART指令进行译码，控制直流电机的运动方向和快慢；

（3）数码管显示电机的运动方向和指令信息。

相关知识及背景

传统数字电路课程以讲授中小规模电路为主，与产业和技术应用趋势严重脱节，导致培养的学生缺乏设计复杂数字系统的能力、缺乏熟练使用现代数字系统设计、测试和调试工具的能力，所学的知识与实际的技术应用脱钩。FPGA拥有丰富的内部资源，能根据应用需求在硬件层进行灵活修改，适用于大型集成电路和数字系统的开发。

为了进一步培养学生利用模块化的思想设计复杂数字系统的能力，将UART通信与直流电机PWM控制相结合，组成一个相对复杂和完整的系统。该实验将通信和控制的基本原理通过FPGA设计方法有机的结合起来，提高学生学习兴趣的同时，培养和锻炼学生的工程实践能力，为后续的创新实践课程打好基础。

教学目标与目的

（1）数字系统自顶向下的设计方法；

（2）HDL编程与仿真；

（3）UART串口通信的基本原理；

（4）PWM驱动电机的原理与实现；

（5）系统集成、验证与调试方法。

本实验教学紧贴电子信息产业发展与需求，培养电子信息产业发展急需的综合应用型高技能人才。培养学生利用FPGA作为工具进行系统实现，从而加深对所学知识的理解，建立概念；加深理解所学数字系统原理基础知识，锻炼FPGA编程能力；调动学生的积极性，引导学生自发学习相关的知识，培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力。

教学设计与引导

本实验是一个综合设计性项目，需要经历相关理论知识学习、技术方案论证、系统设计、计算机仿真等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）基于FPGA的自顶向下系统设计方法：这是整个设计中的难点，学生可能不知道如何下手，老师在这一环节需要重点引导。

（2）自底向上的HDL编程：按照系统的层次结构，对功能划分的模块进行编程，采用层次清晰的编程风格，有助于功能的理解、问题排查和复用。

**（3）功能模块仿真：**从底层的功能模块逐步向上开始仿真。对设计的模块模块分别进行仿真，然后进行整体系统的集成，学生易于理解和实现。

**（4）系统调试测试：**对仿真通过的整体系统进行编译和下载，观察实际运行中存在的问题，对存在的问题分析原因，并针对性的修正。培养学生分析并解决复杂工程问题的能力。

设计原理及方案

基于FPGA的UART指令控制电机实验的系统层次框图如图1所示。

图1 系统层次框图

图2功能模块之间的逻辑关系

功能模块一：UART模块。实现波特率为9600，数据位8位，停止位1位的串行数据格式UART接口与外部MAX232连接，实现与PC上位机的通信，用于接收PC下达的电机运动控制指令。Zhu主要有三个小的功能模块组成：UART功能控制模块、发送数据模块和接收数据模块。

功能模块二：数码管译码显示。将UART接收到的PC指令对应的电机转动方向和速度以及扩展的测速数据，扫描显示在数码管上。

功能模块三：电机驱动模块。将UART接收到的PC指令译码得到的速度和方向，产生不同的PWM信号控制直流电机驱动电路，实现对电机的控制。

功能模块四：电机转速测量模块，作为扩展功能，让学生自主设计实现。

各功能模块之间的逻辑连接关系如图2所示。指明了后续的子模块功能设计的前后连接关系，可统一规划子模块端口。为自底向上的功能设计提供了详细的RTL流图。

本实验实现PC上位机通过串口向FPGA发送一个字节的指令，控制电机的转向和转速。指令的格式如下：

其中：Dir=1，正转; Dir=0，反转。电机速度根据占空比大小分为4级调速：占空比大于>=96时，PWM输出占空比90%；96>占空比大于>=64时，PWM输出占空比50%；64>占空比大于>=32时，PWM输出占空比25%；32>占空比，PWM输出占空比0。

教学实施进程

基于FPGA的UART指令控制电机实验在教学过程中严格按照实验目的与目标进行开展，将教学过程的实施分为三个阶段。

7.1 基本原理与实验电路介绍

这一阶段的教学主要讲述UART和PWM的原理，以及应用时的注意事项，让学生做到“知其然，更知其所以然”。

（1）基本原理

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器）串行通信是指计算机与外设之间，或者计算机与计算机之间以串行的方式传送数据。数据位按顺序一位一位地传送，所以串行传送数据最少只需要一根传输线即可完成。UART发送端和接收端为了保持同步，必须采用相同的字符帧格式和波特率。

很实验选择的UART数据帧格式为：1位**开始位、**数据位8位，停止位1位构成，其数据帧如图3所示：

图3 UART数据传输时序图

波特率是通信中的一个重要概念，也叫做比特率。是发送二进制数据位的速率，习惯上用baud表示。常用的波特率有9600，19200，115200等，表示一秒钟发送的二进制数据量。

直流电机驱动一般采用桥式电路，如图4所示：CTR_S-和CTR_S+表示控制电机转动的两个控制端，控制电机的PWM频率一般在几百到5KHz之间，本实验采用500Hz的PWM。

利用PWM(Pulse Width Modulation)的脉冲宽度来控制图4中的CTR-S-和CTR_S+，就是利用PWM占空比大小调节直流电源输出的平均电压大小，如图5所示，以达到控制电机不同运动状态的目的。

图4 电机桥式控制原理图

图5 PWM控制原理

（2）电路原理

以下是uart串口和电机驱动的电路，不同的电路控制与驱动的方式不同，让学生理解HDL设计与外部电路相匹配才能实现对应的功能。

图6 UART电路 图7 直流电机驱动电路

7.2 功能模块的设计与仿真

系统按照自顶向下的方法设计，确定功能模块之间的连接端口；功能实现则按照自底向上，一个一个功能模块的设计与仿真。以一电机驱动模块为例如下图所示：

图8 电机驱动control_moter模块

电机驱动control_moter模块由命令解析pwm_config、PWM调制和驱动控制motor_drives三个子模块构成，其内部连接如图8示。

图9 control_moter的内部子模块

电机驱动control_moter模块的端口由系统时钟clk，系统复位rst_n和指令command三个输入端，电机驱动Postive和Negtive输出端构成。根据指令的功能与构成，首先在pwm_config模块里分离出转动方向Rota_dir信号和根据占空比得到的4各速度等级信号speed[1:0]信号；PWM模块根据speed信号等级在时钟信号clk和复位信号rst_n的控制下产生不同占空比的pwm信号；驱动motor_drive模块在Rota_dir方向信号的控制下，将pwm信号传递给postive或negtive电机驱动端，实现不同占空比的电机速度和转动方向控制。

各模块的仿真，结果如下：

图10 pwm_config模块仿真波形

图11 pwm模块仿真波形

图12 motor_drive模块仿真波形

图13 control_moter模块仿真波形

另外功能模块：UART通信模块、显示模块和测速模块依此执行。

通过仿真，让学生掌握仿真的作用：在不同的输入信号作用下，该功能模块是否达到对应的设计功能？没达到，修改设计文件直至实现；达到后，进行各功能模块的级联实现较复杂的功能。

7.3 系统的集成与验证

完成各功能模块的设计与仿真后，系统各模块的级联，管脚的映射，布局布线和编译，最后下载到实验平台进行验证。

（1）各功能模块在系统层上例化完成，掌握局部与整体的关系，以及对数据流的掌控。

图14 系统整体设计RTL图

（2）正确的管脚映射，实现理论设计与实际电路的统一，把设计落实为具体的实物。

图15 系统管脚映射表

（3）功能测试与验证，内化指令与系统运行的逻辑，成就思想与行为统一的成功。

图16 串口指令控制电机运动

学生通过设计、仿真、系统集成到最后的程序下载，并成功运行的一系列过程，体会系统的概念，掌握自顶向下的系统设计方法，统筹全局；在实现的过程中，除了功能模块的具体功能的实现，还要注意与其他模块之间的关系；在测试中，检验指令与系统行为的统一与否，能判断运行状态与指令是否一致；最后思考对现有的系统在功能完善、扩展和代码质量方面是否还有改进的空间，使学习过程得到进一步的消化和沉淀。

课程设计报告要求

报告主要包括如下内容：

1. 设计任务及要求；

2. 问题分析与方案选择；

3. 功能模块的划分，编程、仿真和实现；

4. 系统实现过程中的问题分析及解决办法

5. 体会与改进意见和建议

考核要求与方法

（1）系统设计：设计方案层次合理，功能模块划分与信号定义；成绩占比20%。

（2）功能实现：HDL编程良好的代码风格；在Quartus II或Modelsim对各层次功能模块进行较全面覆盖的仿真，实际测试功能正确；成绩占比45%。

（3）功能扩展：串口波特率灵活调整，PWM占空比连续可调，电机转速测量等；成绩占比15%。

（4）实验报告：方案设计描述，所遇问题分析与解决方案，收获与建议；成绩占比20%。

项目特色或创新

设计的以FPGA为核心的数字系统实验平台解决了分立元件实验中的学用脱节、功能单一、连线繁琐杂乱的问题。本实验的特色与创新点：

**（1）强调自顶向下系统设计方法，树立系统意识：**从系统整体概念出发，从总体到局部的设计方法，完成单独知识点向多知识点的融合；促进学生学习思维能力的提升，提高应用型人才培养质量。

**（2）通过自底向上的功能实现，锻炼工程实践能力：**自底向上的实现过程，体现理论知识点和实际应用的一一映射，让学生不仅对数字逻辑电路的内部结构知其然而且知其所以然；锻炼学生解决工程复杂问题的能力

**（3）应用与理论的表里统一，培养创新意识：**通过功能模块不同的实现方式，破解从理论到实践的鸿沟，让学生体会到解决问题的成就感；引导学生自主、自发的学习兴趣，培养创新意识。

参赛选手信息表