基于Nios II步进电机控制器IP核的设计与实现

摘要 根据NiosII处理器的Avalon总线规范，设计了一款面向步进电机的控制器IP核。该定制IP核采用软、硬件协同设计的方法，功能符合Avalon总线的读写传输时序，具有完备的步进电机驱动能力。仿真结果表明，该IP核具有很好的可重用性。利于开源共享提高开发效率。
关键词 SOPC；IP核；FPGA；步进电机控制器

随着系统级芯片集成度越来越高，SOPC技术成为电子系统设计的热点。它是利用FPGA器件的可编程性进行SOC设计，其最突出优点是在提供丰富IP库的情况下，用户可以利用IP库中的组件按需求来搭建系统，有较大的灵活性。但是在供应商提供的IP库中没有用户所需的IP核时，用户只能根据需要自定义IP核。另外，FPGA的传统应用是在通信、工业控制等领域。鉴于此，设计了一款步进电机控制器IP核，它具有对步进电机的转速、转向及运转节拍数进行控制的功能。

1 步进电机驱动原理
步进电机驱动是通过按一定顺序切换每相线圈中的电流，以达到旋转切换步进电机的过程。其中，步进电机的控制转速与各绕组中输入脉冲的频率成正比，转向则取决于控制绕组中的通电顺序。步进电机按其励磁相数可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相制式。其中工业常用的是三相、四相励磁制式。其中三相制式又包括单三拍(A—B—C—A)方式及双三拍(AB—BC—CA—AB)方式，而四相制式则有三种常见方式，即双四拍(AB—BC—CD—DA—AB)方式；单四拍(A—B—C—D—A)方式；单、双八拍(A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A)方式。

2 步进电机控制器IP核设计
对于面向NiosII处理器开发的所有IP核，包括从设备IP核和主设备IP核两大类。文中设计的步进电机控制器IP核是一个受控对象，属于从设备。NiosII处理器通过Avalon总线对步进电机控制器IP核的寄存器进行参数设置，实现对步进电机的一系列操作。其中Avalon总线接口规范的功能是它定义了信号类型、信号的行为及传输类型等信息。
一个典型的IP核由硬件文件、软件文件及组件描述文件组成，步进电机控制器IP核也严格按照规范来编写。它的硬件文件由多个HDL模块组合完成硬件设计，其中包括逻辑任务模块、寄存器模块及接口模块，其原理如图1所示，软件文件则由寄存器头文件、驱动文件组成。Nios II开发工具自2006年公布新版本以后，软件可以自动生成组件描述文件。

2．1 硬件文件设计
IP核设计部分中的逻辑任务模块根据寄存器模块传递的参数产生步进电机控制所需的脉冲信号；寄存器模块则用来存储Avalon总线传来的参数，包括步进电机的转速、励磁相数、正／反转参数、节拍数等；接口模块是一个符合Avalon规范的接口，起着连接Avalon总线与IP核寄存器模块桥梁的作用。