基于FPGA控制的悬挂运动控制系统设计

“0”～“9”：数字输入，用于设定一个坐标点的X，Y值；而且键1、键2、键3、键4、键5、键6和键9具有第二功能。
“A”：启动键，用于所选运行方式的开始运行控制键。
“B”：复位，用于各项初始化。
“C”：确定键，用于设置、方式输入值的确定。
“D”：停止，用于停止步进电机转动。
“E”：设置键，手动对位或任意设定坐标点参数键，按上、下、左、右键进行手动对位控制，再按确认键确认(图4所示)。

“F”：方式键：首先按下方式键，然后按数字键选择方式再确认(如图5所示)，方式有以下几种：
方式1：归位，让物体自行回到原点。
方式2：做自行设定的运动。
方式3：画圆，首先利用数字键设置圆半径进行确认后，再按启动键运行。
方式4：定点运动，首先利用数字键设置一个坐标点的X，Y值进行确认后，再按启动键运行。
方式5：寻迹，首先让物体运行在轨迹起点，按下启动键开始寻迹。
2．3 电机驱动模块
采用功率驱动电路L298内含4通道逻辑驱动电路，分别控制步进电机四组线圈A，／A，B，／B通电与否。步进电机的激磁信号则由智能型可编程逻辑器件开发试验系统KH-310试验平台上的JP4的信号输入控制，分别驱动步进电机的A，／A，B，／B线圈，采用两相激磁方式。
2．4 电机电路
电机是整个系统实现功能的主要载体之一，它的主要功能是通过对缠绕其上的绳子的伸缩来实现悬挂物体的运动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。本系统使用42BYG型号步进电机，其原理是将电脉冲信号转换成角位移，它的转子的转角与输入的电脉冲数成正比，转速与输入的电脉冲的频率成正比，旋转方向由脉冲的分配顺序决定，可以通过控制脉冲个数控制步进电机的角位移量，从而达到准确定位的目的。
2．5 显示模块
液晶显示器是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电光效应，在电源的开关之间控制光源透射或遮蔽，产生明暗两种效果。本系统采用16×2 LCD液晶显示屏作为人机对话的友好界面。系统设计实现物体所在坐标和画笔所画线段的长度的动态显示，并有输入光标跟随和开机等待提示等人性化功能。

3 系统软件设计
设计系统的总流程相对比较简单，采用VerilogHDL语言。为达到设计指标的控制精度和响应时间，针对各项功能设计相应的控制算法。系统流程图如图6所示。

3．1 两点运动算法与实现
采用数学建模法，运用几何知识把物体运动轨迹和两个电机所在的位置联系起来，通过坐标用数学表达式表示出来，并转换成电机所要转动的偏移量，最后把偏移量转化为电机所要转的速度。结合图7说明，设L1为左绳在d点的线长，L2为右绳在d点的线长，L1'为左绳在e点的线长，L2'为右绳在e点的初始线长，被控对象物体的受限区域的顶点坐标分别为a(xa，ya)，b(xb，yb)， c(xc，yc)，o(0，0)，当悬挂物从d点运动到e点时，左绳和右绳的长短必然发生变化，电机M1的收放线长度为△L1，当△L10，电机正转；△L1>0时，电机反转。电机M2的收放线长度为△L2，当△L20，电机反转；当△L2>0时，电机正转。计算如下：

H=100 cm，x=15 cm，y=15 cm)