圖2：8051 IP核的開發(fā)流程圖
（1）首先，根據(jù)系統(tǒng)需要定制IP核基本模塊，使用Synplify Pro綜合器對此IP核進行綜合，FPGA芯片選擇Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8，編譯綜合成功生成可調用的MC8051_top.Vqm文件，用于在Quartus II環(huán)境中生成原理圖文件進行調用。
（2）在Quartus II開發(fā)環(huán)境下，建立此IP核的應用工程，工程名為MC8051_MOTO，在此工程中利用定制我們需要的符合我們所用FPGA芯片的ROM，RAM和擴展RAM，大小分別為4K，128B，和2K。利用QuartusII提供的MegaWizard Plug-In Manager工具定制ROM等存儲模塊，ROM中的內部結構是由我們編寫的軟件程序來決定的，將Keil C51編譯軟件程序，并生成ROM中的內部程序，這種程序是ASCII碼或者十六進制形式的文件（.Hex或者.mif）寫入的。在工程中建立頂層文件，將生成的8051IP核模塊調用，經(jīng)Quartus II 綜合編譯后，觀看時序分析報告，其最高運行頻率為18.05MHz（每次編譯都可能不同，I/O 分配不同結果可能不同），因此系統(tǒng)時鐘不能超過時序報告的時鐘最高頻率（即fmax）。在24M的時鐘頻率下，定制鎖相環(huán)，使輸出頻率為18M。
1.3 8051 IP核與傳統(tǒng)8051芯片的性能比較
（1）時鐘信號輸入方式不同，傳統(tǒng)8051芯片需外界晶體震蕩器，這里直接利用單路的時鐘信號即可。
（2）傳統(tǒng)芯片中ALE，EA，PSEN等口線在IP核設計中裁減掉了，因為IP核中的I/O口都沒有復用，完全使用獨立的輸入輸出方式。總共有64根I/O線，其中P0口可以通過開漏三極管輸出變成雙向口，P1，P2，P3可以通過上拉電阻實現(xiàn)準雙向口，但不具備傳統(tǒng)的特殊功能引腳。
（3）傳統(tǒng)8051芯片的定時時鐘頻率為CLK/12，而8051IP核的定時時鐘頻率為CLK/16，且定時器可擴展，最多可以擴展到128個。
（4）8051 IP核設計了獨立的串口讀寫控制傳輸引腳，可以通過此獨立串口與外界通信。
（5）8051 IP核ROM和RAM的設計，利用Maxplus II或QuartusII提供的MegaWizard plugin Manager工具，該工具所提供的RAM和ROM例化設計文件，實現(xiàn)了128B內部RAM和4KB內部ROM模塊,其中ROM模塊是一個空結構實體,在有內部程序時換成相應的結構，內部程序必須以ASCII碼形式或十六進制形式的文件(.mif文件)寫入。
（6）8051IP核的目標代碼與工業(yè)標準的8051微處理器兼容,但其多數(shù)指令周期只有4個時鐘周期,比標準8051指令要快。
2．8051 IP核對步進電機的細分控制
為了驗證所定制的8051 IP核的功能，本文采用8051 IP核作為主控制模塊，設計了步進電機細分控制系統(tǒng)。
2.1 步進電機細分原理
步進電機的驅動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流，實現(xiàn)步進電機內部磁場合成方向的變化來使步進電機轉動的。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為步距角。步進電機的細分即對步距角的細分。由于步進電機的轉動是對應各相勵磁繞組所通以的電流，所以可以通過控制給定電流的大小，來控制步進電機每轉動一次的角度。在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應繞組中額定的一部分，則電機轉子的每步運動也只有步距角的一部分。這里繞組電流不是1個方波，而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。電流被分成多少個臺階，轉子就以同樣的個數(shù)轉過1個步距角。本設計采用三相步進電機，圖3為細分后輸入各相的階梯波。
圖3：細分后階梯脈沖波形
如圖所示，在選定所需細分數(shù)后，只要給在勵磁繞組通以對應的階梯波，即可實現(xiàn)對步進電機步距角的細分。本設計采用廣泛使用的恒頻脈沖調寬細分驅動技術，通過寫入8051 IP核的軟件控制程序，實現(xiàn)對步進電機的細分。
2.2系統(tǒng)設計
本細分控制系統(tǒng)的由四個主要模塊組成：定制的8051 IP核，LED顯示模塊，鍵盤控制模塊，步進電機細分驅動模塊。圖4為系統(tǒng)結構原理圖。
圖4：系統(tǒng)結構原理圖
系統(tǒng)設計如下：
（1）首先利用MegaWizard Plug-In Manager工具，將由程序生成的HEX文件初始化到定制的4K ROM單元中。
（2）利用鍵盤,向系統(tǒng)輸入細分數(shù)，轉動速度等初始化信息。同時，實時控制步進電機的轉動速度、方向。速度和細分數(shù)，同時在8位LED數(shù)碼管上顯示。速度可調為：0，50，100，200。每按一次加速，速度進階。細分數(shù)可為：2分度，3分度，4分度……100分度。
（3）8051 IP核收到串口控制信號，生成顯示信號，發(fā)送給LED顯示模塊。8051 IP核輸出P0_o口作字形碼輸出，P2_o口外接74LS04作位選掃描。同時，根據(jù)細分數(shù)，查找分度表，將對應數(shù)字信號發(fā)送給D/A轉換器，D/A轉換器根據(jù)對應數(shù)字信號輸出階梯電壓Vout， Vout與電壓比較器同相端相接 ，而步進電機該相輸出電壓V，并與電壓比較器反相端相接，進行電壓比較。當V＞Vout時， 電壓比較器輸出低電平，D觸發(fā)器清零，開關管組成的功放級截止，I1因繞組能量泄放而下降，出現(xiàn)V＜Vout時，電壓比較器輸出高電平，CP脈沖的上升沿使D觸發(fā)器的Q=1，功放級導通，則繞組電流I1上升，結果是V＞Vout，又 使電壓比較器輸出低電平，D觸發(fā)器清零，功放級截止，I1因繞組能量泄放而下降， 又出現(xiàn)V＜Vout。此過程一直往復。由于恒頻脈沖頻率較高，使V 基本保持在Vout值，且I1波頂比較平穩(wěn)。這樣通過D/A轉換輸入不同的階梯電壓，產(chǎn)生不同的階梯電流，達到了步距角細分的目的。
3．結論
IP 核應用領域的不斷擴展，可編程芯片的規(guī)�；�，從而使得將數(shù)字電子系統(tǒng)集成到一塊芯片上變成可能，同時IP 核的重用性，使得開發(fā)風險降低，周期變短。本文利用現(xiàn)有的8051 IP核技術，對其進行相應的定制和裁減，實現(xiàn)了一個片上可編程系統(tǒng)的典型模型，而且可以利用IP 核的可修改，可編程等功能，實現(xiàn)具體要求的片上系統(tǒng)，是片上系統(tǒng)開發(fā)的一個有效方案。
本文作者創(chuàng)新點：本文利用IP重用技術，用FPGA設計出8051 IP軟核，并將其應用到自動控制系統(tǒng)中，結合步進電機的控制原理，實現(xiàn)了利用8051 IP核作為主控制器的步進電機細分控制系統(tǒng)。在IP核重用技術方面提出了新的思路和解決方法。
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66821730(技術支持)
