基于FPGA的可編程PWM電路設計

2.1 模塊片選譯碼

該模塊主要通過(guò)地址信號Addr與片選信號Cs_b的組合邏輯電路生成內部各子模塊的片選信號(ControlLogic，3個(gè)通道：Channel2，Channel1，Channel0)。

2.2 控制邏輯

該模塊主要產(chǎn)生通道內部Regs片選控制信號及各通道的輸出控制信號，同時(shí)完成精簡(jiǎn)地址線(xiàn)的操作。

每個(gè)通道都包含各自獨立的4個(gè)16 bits的寄存器，包括正向信號長(cháng)度、負向信號長(cháng)度、死區長(cháng)度、周期長(cháng)度等。由于控制字寄存器為8 bits，因此．整個(gè)芯片至少占用3×4×2+1=25個(gè)地址(每個(gè)地址存儲8 bits數據)，傳統做法至少需要5根地址線(xiàn)譯碼，而采用區分數據信息類(lèi)型(控制字，數據字)的方式則可將地址線(xiàn)精簡(jiǎn)到2根。相對單片機緊缺的外面地址資源來(lái)說(shuō)，其好處是顯而易見(jiàn)的。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對寫(xiě)人ControlRegister(控制字寄存器)的值進(jìn)行分析，結合數據傳輸寬度生成內部Regs片選控制信號，就可以通過(guò)控制字信息來(lái)完成內部Regs的地址譯碼，同時(shí)反饋被操作的寄存器信息到RWLogic模塊，從而完成8／16bits的數據讀寫(xiě)操作。

值得注意的是，由于PWM內部包含了3個(gè)完全一樣的獨立通道，因此，為了更方便的對控制字進(jìn)行操作，通過(guò)對控制字寄存器的分析，可用控制邏輯電路自動(dòng)將當前被操作通道的控制寄存器信息存儲在對應的控制寄存器中備份。這樣既方便在編程中靈活地操作各通道，又可避免讀寫(xiě)過(guò)程中的誤修改非相干通道的控制信息。

2.3 讀寫(xiě)邏輯

該模塊用于處理外部數據Data[15：0](包括外部為16位或8位數據總線(xiàn)連接方式)到內部DataInternal[15：0]的轉換。當DataWidth為1時(shí)，采用16 bits的數據傳輸；當DataWidth為0時(shí)，采用8 bits數據傳輸。通過(guò)PWM能完成對外部8 bits或16 bits的信息傳輸要求，準確的讀寫(xiě)內部16bits的Regs。具體實(shí)現時(shí)，如采用16 bits傳輸，由于內部數據采用16 bits傳輸，可以采用每個(gè)地址對應16 bits數據，每個(gè)數據位一一對應的傳輸方式；而采用8 bits傳輸時(shí)，由于內部數據采用16bits傳輸，故可通過(guò)分析地址的奇偶特性來(lái)確定數據高低字節的存放，也就是通過(guò)ControlLogic反饋的字節選擇位，來(lái)使讀寫(xiě)邏輯電路能夠自適應地把16 bits的Regs數據信息分割加載到合適的數據通道上，從而完成數據的輸入輸出控制。

為了精簡(jiǎn)數據線(xiàn)，實(shí)現數據的雙向流通，本模塊通過(guò)片選和讀寫(xiě)使能信號所控制的雙向三態(tài)門(mén)接口電路來(lái)隔離讀寫(xiě)信息。

2.4 通道

Channel是PWM芯片的核心部分，每個(gè)Channel模塊都由3個(gè)子模塊組成，圖2所示是各Channel子模塊的內部結構圖。

2.5 數據接口

數據接口用于完成通道內寄存器的讀寫(xiě)功能。該模塊通過(guò)組合通道片選、內部寄存器片選信號及模塊讀寫(xiě)使能信號來(lái)產(chǎn)生各寄存器的讀寫(xiě)使能信號。其讀寫(xiě)操作可通過(guò)三態(tài)門(mén)與內部數據通道進(jìn)行數據交換。

寫(xiě)入本模塊的寄存器信息將進(jìn)行數據校驗。只有校驗合格的數據才能載入內部寄存器的一級緩沖器(Buf)中，內部寄存器的一級緩沖器(Buffer)數據將輸出到PWMFSM模塊，以提供PWM的特征數據。

2.6 周期信號發(fā)生器

周期信號發(fā)生器可生成PWM的周期控制信號，其周期的長(cháng)短由數據接口傳過(guò)來(lái)的周期寄存器值(CyeleReg)決定。該模塊將通過(guò)內部計數器計數時(shí)鐘，并與CycleReg比對，從而產(chǎn)生PWM的周期控制信號CycleScale。

2.7 狀態(tài)機

狀態(tài)機是產(chǎn)生PWM信號的核心功能模塊。通過(guò)加載Data Interface模塊接收到的通道內部寄存器Buffer值，由狀態(tài)機來(lái)進(jìn)行運轉。PWMFSM模塊中包含有一個(gè)自運轉狀態(tài)機。當符合條件的寄存器值寫(xiě)入Channel寄存器后，狀態(tài)機將在CycleScale信號的起始信息的引導下，在時(shí)鐘的上升沿將內部寄存器一級Buffer寫(xiě)入到本模塊中的PWM信息寄存器Buf中，以便在下一個(gè)運行周期內載入到PWM的狀態(tài)機中。狀態(tài)機啟動(dòng)后，它將根據當前狀態(tài)輸出脈沖驅動(dòng)信號。其狀態(tài)機的運轉圖如圖3所示。

其運轉流程如下：

(1)從復位或停止工作狀態(tài)進(jìn)入IDLE狀態(tài)；

(2)在合法的數據寫(xiě)入通道寄存器且CycleScale的啟始信號被接收后，狀態(tài)機將當前通道內部寄存器Buffer的值載人狀態(tài)機定時(shí)器，同時(shí)進(jìn)入正向脈沖狀態(tài)，以便準備輸出正向電機驅動(dòng)信號；

(3)在正向脈沖狀態(tài)下，定時(shí)器開(kāi)始減計數，直到到達完成正向驅動(dòng)所需要的時(shí)間，同時(shí)在結束正向驅動(dòng)的輸出后，進(jìn)入死區狀態(tài)；

(4)在死區狀態(tài)，關(guān)閉正向、負向電機驅動(dòng)信號，并通過(guò)定時(shí)器等待死區時(shí)間結束，然后進(jìn)入負向電機驅動(dòng)狀態(tài)(負向脈沖)；

(5)在負向脈沖狀態(tài)下，定時(shí)器開(kāi)始減計數，直到到達完成負向驅動(dòng)所需要的時(shí)間，到在結束負向驅動(dòng)的輸出后，進(jìn)入死區狀態(tài)；

(6)在死區狀態(tài)，關(guān)閉正向、負向電機驅動(dòng)信號，并通過(guò)定時(shí)器等待死區時(shí)間結束，然后進(jìn)入空閑等待狀態(tài)。等待下一次的啟動(dòng)信號。