畢業(yè)設(shè)計---基于arm的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　學(xué) 士 學(xué) 位 論 文</p><p><b>　　題目：基于ARM的</b></p><p><b>　　控制電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p><b>　　作者： </b></p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 專業(yè)技術(shù)職稱：副教授</p><p>　　學(xué)科專業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 申請學(xué)位日期：2012年6月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前，基于ARM技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)幾乎已經(jīng)深入應(yīng)用到各個領(lǐng)域，是當(dāng)今32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。ARM在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也受到越來越多的關(guān)注。</p>

3、;<p>　　本課題設(shè)計了一個基于ARM的嵌入式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用PHILIPS公司的以ARM9為內(nèi)核的LPC2124芯片作為控制核心，配置相應(yīng)的外設(shè)及接口電路，運用性能價格比較好的集成電機(jī)控制芯片L298作為直流電動機(jī)的PWM驅(qū)動器件；采用光電編碼器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速信號的采集；采用LPC2124內(nèi)部集成定時器的捕獲功能對編碼器生成的脈沖序列信號進(jìn)行測量；采用74LS74作為鑒相器而識別電動機(jī)實時轉(zhuǎn)向；采用單閉環(huán)P

4、I控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；采用LCD1602系列顯示屏即時顯示電動機(jī)的轉(zhuǎn)動信息；采用4×4矩陣鍵盤對轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向進(jìn)行設(shè)置和控制。系統(tǒng)軟件主要使用C語言編寫，遵循模塊化設(shè)計的原則，編寫了轉(zhuǎn)速的測量、轉(zhuǎn)速的PWM驅(qū)動、轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速的顯示、鍵盤輸入等程序模塊，程序代碼具有良好的易維護(hù)性和可移植性。最后使用Proteus ISIS仿真工具對系統(tǒng)仿真，并在仿真平臺上對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試與分析。</p><p>　　本系

5、統(tǒng)的設(shè)計精度可以滿足一般工業(yè)控制的要求，能夠應(yīng)用到實際的生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。而且能夠防止用戶的誤操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，具有一定的實用性和較高的社會推廣價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式系統(tǒng)；直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；LPC2124</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　A

6、t present, the embedded system that based on the ARM technology almost has been used on each field, and this technology is the mainstream of current 32 bits embedded system. Applications of ARM in the field of industrial

7、 control have also been attracted more and more attention.</p><p>　　This article designed an embedded system of DC motor speed control which based on ARM. This system take the ARM7TDMI-S core to the PHILIPS’

8、LPC2124 chip as the control core, configured corresponding outside to suppose and the interface electric circuit, uses the integrated motor controller L298 as the PWM driven device which with high performance price ratio

9、; uses the photoelectric encoder to achieve the speed signal acquisition; uses the capture of integrated timer internal LPC2124 to measure th</p><p>　　The accuracy of the system can satisfy the general deman

10、d of general industrial control, and can be applied to the actual production and living, satisfy the requirement of modern production, prevent the wrong operation of users, improve the safety and stability of the system,

11、 have the certain usability and a higher social promoting value.</p><p>　　Key Words: ARM; embedded systems; speed control for DC motor; LPC2124</p><p><b>　　目 錄</b></p><p&

12、gt;<b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題引入1</p><p>　　1.2 本課題研究背景和意義2</p><p>　　1.3 本課題的主要任務(wù)及工作2</p><p>　　1.4 嵌入式系統(tǒng)概述2</p><p>　　1.4.1 嵌入系統(tǒng)的定義、特點3&

13、lt;/p><p>　　1.4.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r3</p><p>　　1.4.3 嵌入系統(tǒng)的發(fā)展趨勢4</p><p>　　2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)分析5</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)功能分析5</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)原理結(jié)

14、構(gòu)5</p><p>　　2.1.3 技術(shù)方案可行性研究6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計7</p><p>　　2.2.1 嵌入式系統(tǒng)的硬件7</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)8</p><p>　　2.2.3 核心控制電路8</p><p>　　

15、2.2.4 電動機(jī)接口電路8</p><p>　　2.2.5 用戶接口電路8</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計9</p><p>　　2.3.1 嵌入式系統(tǒng)的軟件9</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計9</p><p>　　2.3.3 后臺程序組成9</p>

16、<p>　　2.3.4 前臺程序組成10</p><p>　　2.4 本章小結(jié)10</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計11</p><p>　　3.1 微控制器電路11</p><p>　　3.1.1 ARM微處理器介紹11</p><p>　　3.1.2 ARM微處理器的工作模式和異常處理

17、12</p><p>　　3.1.3 ARM寄存器14</p><p>　　3.1.4 ARM微處理器的選型15</p><p>　　3.2 PWM電動機(jī)驅(qū)動電路16</p><p>　　3.2.1 PWM基本原理16</p><p>　　3.2.2 PWM調(diào)速控制系統(tǒng)介紹17</p><

18、;p>　　3.2.3 PWM控制電路18</p><p>　　3.2.4 PWM驅(qū)動電路20</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)速檢測電路22</p><p>　　3.3.1 光電編碼器介紹及選擇22</p><p>　　3.3.2 轉(zhuǎn)速檢測電路23</p><p>　　3.3.3 轉(zhuǎn)向識別電路23<

19、;/p><p>　　3.4 LCD顯示電路25</p><p>　　3.5 鍵盤電路26</p><p>　　3.6 本章小結(jié)26</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件的詳細(xì)設(shè)計27</p><p>　　4.1 ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境簡介27</p><p>　　4.2 系統(tǒng)啟動流程28&

20、lt;/p><p>　　4.3 主程序模塊28</p><p>　　4.4 轉(zhuǎn)速檢測模塊29</p><p>　　4.4.1 轉(zhuǎn)速測量原理29</p><p>　　4.4.2 轉(zhuǎn)速檢測程序30</p><p>　　4.5 PWM驅(qū)動模塊31</p><p>　　4.5.1 PWM方案選擇

21、31</p><p>　　4.5.2 PWM的寄存器介紹32</p><p>　　4.5.3 PWM初始化子程序33</p><p>　　4.5.4 PWM脈寬控制子程序33</p><p>　　4.6 液晶顯示模塊36</p><p>　　4.6.1 1602顯示原理36</p><p&

22、gt;　　4.6.2 1602液晶顯示流程38</p><p>　　4.7 鍵盤掃描模塊39</p><p>　　4.8 本章小結(jié)39</p><p>　　5 系統(tǒng)的仿真41</p><p>　　5.1 Proteus ISIS介紹41</p><p>　　5.1.1 Proteus ISIS的特點41&l

23、t;/p><p>　　5.1.2 Proteus仿真注意事項41</p><p>　　5.2 系統(tǒng)電路仿真圖設(shè)計42</p><p>　　5.3 各子系統(tǒng)仿真設(shè)計43</p><p>　　5.3.1 轉(zhuǎn)速檢測電路仿真43</p><p>　　5.3.2 電機(jī)驅(qū)動電路仿真44</p><p>

24、;　　5.3.3 鍵盤輸入仿真44</p><p>　　5.4 系統(tǒng)仿真的運行流程45</p><p>　　5.5 仿真性能測試及分析47</p><p>　　5.5.1 性能測試47</p><p>　　5.5.2 性能分析47</p><p>　　5.6 本章小結(jié)48</p><p&

25、gt;<b>　　結(jié)束語49</b></p><p><b>　　致謝50</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)51</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p><b>　　課題引入</b><

26、;/p><p>　　ARM(Advanced RISC Machines)，既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。</p><p>　　1990年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。該公司的產(chǎn)品“ARM嵌入式內(nèi)核”已被全球各大芯片廠商采用，基于ARM的開發(fā)技術(shù)也席卷了全球嵌入式市場，已成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一。基于ARM

27、技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面[1]。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場被消費者所接受，更具有競爭力。</p><p>　　到目前為止，ARM以高性能、低價位、低功耗、小體積等特色廣泛地進(jìn)入各個領(lǐng)域：<

28、/p><p><b>　　1) 工業(yè)控制領(lǐng)域</b></p><p>　　由于ARM在網(wǎng)絡(luò)通信功能的增加及嵌入式系統(tǒng)的支持，使得許多控制系統(tǒng)的控制由X86系列向ARM系列發(fā)展。</p><p><b>　　2) 通信產(chǎn)品</b></p><p>　　一般的ARM SoC都支持嵌入式操作系統(tǒng)。ARM在通信

29、產(chǎn)品上已經(jīng)有了完整的解決方案，如網(wǎng)絡(luò)電話(VoIP)、ADSL Router和IP Router等。</p><p><b>　　3) 無線通訊領(lǐng)域</b></p><p>　　目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。</p><p><b>　　4) 安全控制系統(tǒng)</

30、b></p><p>　　網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)、4/16壓縮處理機(jī)、數(shù)碼錄放機(jī)等安全自動化，也已逐漸采用ARM的核心技術(shù)。</p><p>　　5) 消費類電子產(chǎn)品</p><p>　　ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應(yīng)用。所以掌握和應(yīng)用該系列單片機(jī)，對

31、于學(xué)習(xí)高性能單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，嵌入式系統(tǒng)，生產(chǎn)過程參數(shù)處理，工業(yè)自動化處理具有重要意義。</p><p>　　本課題研究背景和意義</p><p>　　在工業(yè)自動控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會用用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動、傳動和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對電機(jī)的控制要求越來越精確和迅速，對環(huán)境的適應(yīng)要求越來越高。隨著科技的發(fā)展，通過對電機(jī)的改造，出現(xiàn)了一些針對各種應(yīng)用要求的電機(jī)，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)

32、、開關(guān)磁阻電機(jī)等非傳統(tǒng)電機(jī)。但是在一些對位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機(jī)如直流電機(jī)乃有很大的優(yōu)勢，而要對其進(jìn)行精確而又迅速的控制，就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。隨著微電子和計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確，硬件實現(xiàn)簡單，受環(huán)境影響小，功能復(fù)雜，系統(tǒng)修改簡單，有很好的人機(jī)交換界面等特點[2]。</p><p>　　自動化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其中自

33、動調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用則起著尤為重要的作用。雖然直流電機(jī)不如交流電機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、容易維護(hù)，但是它具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動調(diào)速系統(tǒng)中的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)[3]。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速

34、系統(tǒng)的基礎(chǔ)。</p><p>　　近年來，微型計算機(jī)技術(shù)發(fā)展速度飛快，以計算機(jī)為主導(dǎo)的信息技術(shù)作為一嶄新的生產(chǎn)力，正向社會的各個領(lǐng)域滲透，直流調(diào)速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為一大趨勢。</p><p>　　本課題的主要任務(wù)及工作</p><p>　　通過設(shè)計一個基于ARM的嵌入式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)，掌握ARM7TDMI內(nèi)核的工作原理及ARM在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用流程，熟

35、悉ARM芯片上的各種硬件資源及其所具備的各種功能，并能將其運用到實際的開發(fā)項目中，為以后進(jìn)一步開發(fā)各種基于ARM的嵌入式系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。要求所設(shè)計的轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的精度和可用性，能夠達(dá)到一般的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足實際生產(chǎn)的要求。</p><p><b>　　嵌入式系統(tǒng)概述</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是一個很廣義的概念，總體上嵌入式系統(tǒng)可以劃分成硬件

36、和軟件兩部分。硬件一般由高性能的微處理器和外圍接口電路組成，軟件一般由實時操系統(tǒng)和其上運行的應(yīng)用軟件構(gòu)成，軟件和硬件之間由中間層連接。</p><p>　　嵌入系統(tǒng)的定義、特點</p><p>　　1) 嵌入式系統(tǒng)定義</p><p>　　根據(jù)IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)的定義，嵌入式

37、系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運行的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。這主要是從應(yīng)用上加以定義的。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國內(nèi)普遍認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積

38、、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)[4]。</p><p>　　由于嵌入式系統(tǒng)本身是一個外延極廣的名詞，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，很難給它下一個準(zhǔn)確的定義。因此目前常說的嵌入式系統(tǒng)概念的重心放在“系統(tǒng)”上，指能夠運行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。總體上嵌入式系統(tǒng)可以劃分成硬件和軟件兩部分，硬件一般由高性能的微處理器和外圍接口電路組成，軟件一般由實時操作系統(tǒng)和其上運行的應(yīng)用軟件構(gòu)成，

39、軟件和硬件之間由所謂的中間(BSP層，板級支持包)層連接。</p><p>　　2) 嵌入式系統(tǒng)具有以下特點：</p><p>　　① 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。</p><p>　　② 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。</p><p>　?、?系統(tǒng)內(nèi)核小(uC/OS

40、 II內(nèi)核源碼只有5500行)。</p><p><b>　　④ 專用性強(qiáng)。</b></p><p><b>　?、?系統(tǒng)精簡。</b></p><p>　?、?交叉平臺開發(fā)(cross-platform development)。</p><p>　?、?嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多

41、任務(wù)的操作系統(tǒng)。</p><p>　?、?嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)最初的應(yīng)用是基于單片機(jī)的。20世紀(jì)70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器人、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能、更易使用、速度更快、價格更低。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的

42、應(yīng)用特點，但是這時的應(yīng)用只是8位的芯片執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。</p><p>　　20世紀(jì)80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效率。</p><p>　　20世紀(jì)90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模的不斷上升，實時內(nèi)核的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，

43、作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時有更多的公司開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。如Plam OS、Windows CE、嵌入式Linux、Lynx、Nucleus以及國內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)。</p><p>　　目前，由于集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體工藝己使單片集成度達(dá)到千萬門，設(shè)計復(fù)雜度達(dá)到系統(tǒng)級，SOC(System On Chip)芯片的設(shè)計和制造己成為IC產(chǎn)

44、業(yè)發(fā)展的主流及必然趨勢。性能價格比遠(yuǎn)高于單片機(jī)的32位嵌入式系統(tǒng)處理器正逐步取代單片機(jī)的市場。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也進(jìn)入到了一個“系統(tǒng)”開發(fā)的階段，在這個階段的開發(fā)模式己經(jīng)不是單片機(jī)時代的開發(fā)方式所能夠適應(yīng)的。要開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)，要求從系統(tǒng)的角度著手，需要軟硬件人員協(xié)同工作。目前，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展涉及到計算機(jī)學(xué)科的各個方面，主要關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域是消費電子、3G領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)等，主要的技術(shù)熱點包括嵌入式操作系統(tǒng)、系統(tǒng)芯片設(shè)計、應(yīng)用軟

45、件開發(fā)和嵌入式內(nèi)容服務(wù)[5]。</p><p><b>　　嵌入系統(tǒng)的發(fā)展趨勢</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)目前處于高速的發(fā)展之中，其中在以下幾個方面的發(fā)展尤其應(yīng)該引起重視：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜；網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢；應(yīng)用時精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本；系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面。</p><p>　　所以，通過對嵌入式系統(tǒng)的基本

46、概念和應(yīng)用以及發(fā)展趨勢的了解，可以看到，嵌入式系統(tǒng)的研究是計算機(jī)學(xué)科綜合各項理論和技術(shù)的集大成者。</p><p><b>　　系統(tǒng)的總體方案設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)，在功能上是獨立的，在沒有上位機(jī)控制的情況下能獨立地完成對電動機(jī)的監(jiān)控。系統(tǒng)的軟件代碼采用模塊化設(shè)計，使其便于測試、修改，同時具有良好的可移植性和通用性。</p>

47、;<p><b>　　系統(tǒng)分析</b></p><p><b>　　系統(tǒng)功能分析</b></p><p>　　本文旨在設(shè)計一種嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，使得機(jī)器設(shè)備能夠通過該系統(tǒng)與人之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的目的。</p><p>　　基于以上目標(biāo)，本設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：</p><p>　

48、?、?可通過鍵盤設(shè)置和控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。</p><p>　?、?在一定時間內(nèi)驅(qū)動電動機(jī)到達(dá)設(shè)置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。</p><p>　?、?采取一定策略實現(xiàn)電動機(jī)安全運轉(zhuǎn)。</p><p>　　④ 可即時顯示轉(zhuǎn)速值。</p><p><b>　　系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　根據(jù)本系

49、統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，本系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如圖2-1所示，本系統(tǒng)的主要功能模塊有：轉(zhuǎn)速檢測模塊、光電轉(zhuǎn)換、ARM處理器、PWM電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、鍵盤模塊。轉(zhuǎn)速傳感器和光電轉(zhuǎn)換將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為可以測量的電信號。PWM電動機(jī)驅(qū)動用來將計算機(jī)信號轉(zhuǎn)換為電動機(jī)驅(qū)動信號，鍵盤和顯示器是本系統(tǒng)的人機(jī)接口。</p

50、><p><b>　　技術(shù)方案可行性研究</b></p><p>　　1) 電機(jī)調(diào)速控制模塊</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動調(diào)速方案的控制目標(biāo)是實現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)速及正、反轉(zhuǎn)。</p><p>　?、?采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整分壓。采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)

51、字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難[6]。</p><p>　?、?采用繼電器開關(guān)控制。采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。</p><p>　?、?采用H型PWM電路。采用由電子開關(guān)

52、組成的H型PWM電路用單片機(jī)控制電子開關(guān)使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。</p><p>　　兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，且能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，因此本設(shè)計采用第三個方案。</p>&l

53、t;p><b>　　2) 檢速模塊</b></p><p>　?、?磁感應(yīng)式。采用霍爾元器件(霍爾元器件應(yīng)用霍爾效應(yīng)，輸出量與磁場的大小有關(guān))并在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝磁片，利用位置固定的開關(guān)型霍爾元器件來檢測車輪的轉(zhuǎn)動，通過單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量。</p><p>　?、?光反射式。采用反射式紅外器件。在電動機(jī)輪輻面板上均勻畫出黑底白線或白底黑線，通過正對線

54、條的反射式紅外器件，產(chǎn)生脈沖。通過對脈沖的計數(shù)測速。</p><p>　?、?光對射式。采用對射式紅外傳感器。在輪輻面板上均勻刻出孔，在輪子兩側(cè)固定相對的紅外發(fā)射、接收器件。在過孔處接收器可以接收到信號。從而輪子轉(zhuǎn)動時可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號，通過對脈沖的計數(shù)進(jìn)行車速測量。</p><p>　　由于方案三產(chǎn)生的脈沖信號不論在質(zhì)量上還是數(shù)量上都優(yōu)于前兩種，符合本設(shè)計要求，因此選擇了第三個方案。&

55、lt;/p><p><b>　　3) 供電電源選擇</b></p><p>　?、?單電源供電。優(yōu)點是供電電路簡單；缺點是由于電機(jī)的特性，電壓波動較大，嚴(yán)重時可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電。</p><p>　?、?雙電源供電。將電機(jī)驅(qū)動電源其它電路電源分離，利用光電耦合器傳輸信號。優(yōu)點是減少耦合，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；缺點為電路較復(fù)雜。</p>

56、<p>　　考慮到提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，本系統(tǒng)采用雙電源供電方案。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)總體方案如表2-1所示。</p><p>　　表2-1 系統(tǒng)方案配置表</p><p>　　系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　嵌入式系統(tǒng)的硬件</b></p><p&g

57、t;　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心，近年來嵌入式微處理器的主要發(fā)展方向是小體積、高性能、低功耗。專業(yè)分工也越來越明顯，出現(xiàn)了專業(yè)的IP(Intellectual Property Core知識產(chǎn)權(quán)核)供應(yīng)商。</p><p>　　一般可以將嵌入式處理器分成以下4類：</p><p>　　1) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)</p>

58、<p>　　單片機(jī)內(nèi)部集成了比較豐富的片上外設(shè)資源，適合用于控制。</p><p>　　2) 嵌入式DSP(Digital Signal Processor)</p><p>　　其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法進(jìn)行了特殊設(shè)計，具有很高的指令執(zhí)行速度，適應(yīng)于高速數(shù)字信號處理。如TI的TMS302C2000/C5000，Intel的MCS-296，Siemens的TriCoreo。<

59、/p><p>　　3) 嵌入式微處理器(Microprocessor Unit，MPU)</p><p>　　由通用計算機(jī)中的CPU演變而來，具有32位以上的處理器、較高的性能。但與計算機(jī)處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，它只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它冗余功能部分。</p><p>　　4) 嵌入式SOC(System On Chip)</p&

60、gt;<p>　　處理器的體系結(jié)構(gòu)又可分為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)和指令都存儲在同一存儲器)、哈佛體系結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)和指令都提供了各自獨立的存儲器)。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本設(shè)計的統(tǒng)硬件體系可以分為三部分，第一部分為微控制器組成的控制核心電路，第二部分為轉(zhuǎn)速檢測模塊和電動機(jī)驅(qū)動模塊組成的電動機(jī)接口電

61、路，第三部分為鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊組成用戶接口電路，設(shè)計方案的硬件詳細(xì)框圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 詳細(xì)的硬件體系結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　核心控制電路</b></p><p>　　以嵌入式微控制器作為核心控制電路，作為硬件系統(tǒng)的中樞控制中心，用于協(xié)調(diào)和管理系統(tǒng)的其它硬件。本系統(tǒng)選用PHIPLIS公司的A

62、RMTDMI-S內(nèi)核為控制器LPC2124作為嵌入式系統(tǒng)的核心單元、該處理器內(nèi)部集成了系統(tǒng)所需的PWM模塊、脈沖捕獲模塊等。</p><p><b>　　電動機(jī)接口電路</b></p><p>　　電動機(jī)接口電路用于檢測和驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速檢測采用光電耦合器件配合控制核心的脈沖捕獲功能實現(xiàn)，電動機(jī)驅(qū)動電路采用控制核心的PWM功能和電機(jī)驅(qū)動芯片L298實現(xiàn)。&

63、lt;/p><p><b>　　用戶接口電路</b></p><p>　　用戶接口電路用于獲取用戶的輸入和將系統(tǒng)相關(guān)信息顯示給用戶，本系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤獲取用戶輸入，采用LCD1602系列液晶顯示屏顯示電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。</p><p>　　系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　嵌入式系

64、統(tǒng)的軟件</b></p><p>　　通常嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)主要有兩種：前后臺系統(tǒng)(Foreground/Background)和基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺的應(yīng)用系統(tǒng)。前后臺系統(tǒng)又稱為超循環(huán)系統(tǒng)(Super-loops)，其應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用響應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可看作后臺行為，中斷服務(wù)程序處理異步事件，可看作是前臺行為[4]；基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺的應(yīng)用系統(tǒng)一般由嵌入式操

65、作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，操作系統(tǒng)是連接計算機(jī)硬件與應(yīng)用程序的系統(tǒng)程序，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)兩類。</p><p>　　系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　結(jié)合本系統(tǒng)的性能要求，本設(shè)計采用前后臺系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 軟件體系結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　

66、后臺程序組成</b></p><p><b>　　1) 轉(zhuǎn)速測量模塊</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速測量模塊用于將定時器捕獲的脈沖值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速值單位為RPM(Revolution Per Minute)，即每分鐘多少轉(zhuǎn)。此外，本模塊還具有轉(zhuǎn)向識別功能，用于控制PWM驅(qū)動的方向。</p><p>　　2) 轉(zhuǎn)速-PWM轉(zhuǎn)換模

67、塊</p><p>　　轉(zhuǎn)速-PWM轉(zhuǎn)換模塊用于將以RPM為單位的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換為可以用來驅(qū)動電動機(jī)的PWM值。</p><p><b>　　前臺程序組成</b></p><p><b>　　1) 鍵盤掃描模塊</b></p><p>　　鍵盤掃描將系統(tǒng)鍵盤接口的輸入映射為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。<

68、/p><p>　　2) PWM更新模塊</p><p>　　PWM更新模塊將后臺轉(zhuǎn)換的PWM值更新到PWM輸出端。</p><p><b>　　3) 轉(zhuǎn)速顯示模塊</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速顯示模塊將后臺的檢測結(jié)果和用戶輸入顯示在LCD上。</p><p><b>　　本章小結(jié)<

69、/b></p><p>　　本章是系統(tǒng)的總體設(shè)計，首先介紹了系統(tǒng)的功能及技術(shù)上的可行性，然后將系統(tǒng)從功能上進(jìn)行了模塊劃分，最后將系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分分別介紹。硬件設(shè)計部分包括LPC2124為核心的控制電路、鍵盤和LCD組成的用戶電路、檢速和PWM驅(qū)動組成的電機(jī)接口電路三個單元，通過這種結(jié)構(gòu)，從硬件上實現(xiàn)了用戶和電機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；軟件部分采用前后臺體系結(jié)構(gòu)，后臺是系統(tǒng)的中斷處理程序，前臺負(fù)責(zé)對用戶數(shù)據(jù)

70、的接收及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的回顯。軟件和硬件均采用模塊化設(shè)計，這增強(qiáng)了系統(tǒng)的易維護(hù)性及開放性。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括微控制器電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、PWM電動機(jī)驅(qū)動電路、LCD顯示電路、矩陣鍵盤電路等設(shè)計。</p><p><b>　　微控制器電路</b>

71、;</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的硬件核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式處理器在功耗、體積、成本、可靠性及運算處理能力等各方面性能指標(biāo)在不同的應(yīng)用場合均有較為特殊的要求，不同的行業(yè)不同的場合對嵌入式處理器的性能都有不同的要求，因此，嵌入式處理器芯片的種類繁多。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列。隨著集成電路制造工藝技術(shù)的提高32為處理器成本不斷降低，性

72、價比占有很大優(yōu)勢，因此32位的嵌入式處理器得到越來越廣泛的應(yīng)用。在32位處理器中，采用ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器占有很大比例[7]。</p><p><b>　　ARM微處理器介紹</b></p><p>　　ARM微處理器內(nèi)核是ARM技術(shù)的核心，目前市場上能夠見到的有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、ARM11，還有Intel的Xc

73、ale微體系架構(gòu)及StrongARM等系列[1]。</p><p>　　ARM處理器采用RSIC的架構(gòu)技術(shù)，它具備小體積，低功耗，低成本，高性能等特色，支持Thumb(16位)和ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件。</p><p>　　ARM按照內(nèi)核可以分為以下幾種：</p><p>　　1) ARM7微處理器系列</p><

74、p>　　ARM為低功率的32位RSIC處理器，包括32位地址線和數(shù)據(jù)線，最適合用于對價位核功率要求較高的應(yīng)用，其特點如下：</p><p>　?、?具有嵌入式ICE邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。</p><p>　?、?低功耗，適合便攜式產(chǎn)品。</p><p>　　③ 具有16位Thumb指令集。</p><p>　　④ 主頻可達(dá)130MIPS。

75、</p><p>　　常用的ARM7的內(nèi)核有：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ-s等，其中各個英文字母所代表的意義如下：</p><p>　　T：支持16位Thumb指令集。</p><p>　　D：支持在線Debug。</p><p>　　M：內(nèi)嵌乘法器Multiplier。</p><

76、;p>　　I：內(nèi)嵌入式ICE，支持在線斷點和調(diào)試。</p><p>　　E：DSP指令，表示支持DSP的特定指令，主要是16位的Thumb指令。</p><p>　　S：可以綜合，提供VHDL或者Verilog語言設(shè)計，可以實現(xiàn)自己特定的硬件。</p><p>　　J：支持新的Java功能。</p><p>　　本系統(tǒng)使用的PHILIP

77、S公司的LPC2124就是采用ARM7TDMI-S的內(nèi)核。</p><p>　　2) ARM9微處理器系列</p><p>　　除了ARM7的功能外，ARM9還具有以下特點：</p><p>　　① 支持32位的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線接口。</p><p>　　② 支

78、持MMU(Memory Management Unit),可提供Windows CE及Linux Kernel 2.6以上的操作系統(tǒng)。</p><p>　?、?支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存(Data Cache)及指令緩存(Instruction Cache),提高了CPU的處理效率。</p><p>　　常用的ARM9的內(nèi)核有ARM920T、ARM922T和ARM940T。</p><

79、;p>　　3) ARM9E微處理器系列</p><p>　　它是一個綜合性的處理器，除了具有ARM9的功能外，還增加了DSP和Java應(yīng)用系統(tǒng)的處理。其主要特色如下：</p><p>　?、?支持DSP指令集，適合高速運算。</p><p>　?、?支持VFP9浮點運算。</p><p>　?、?CPU主頻高達(dá)300MIPS。</

80、p><p>　　常用的ARM9E的內(nèi)核有：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。</p><p>　　4) ARM10E微處理器系列</p><p>　　它采用了新的架構(gòu)，使其效率比ARM9提高將近50%,并且提升了能源管理的共能，從而降低了功耗。</p><p>　　除了ARM9的功能外，ARM10E還具有以下功能：&l

81、t;/p><p>　?、?支持VFP10浮點運算。</p><p>　?、?主頻高達(dá)400MIPS。</p><p>　?、?內(nèi)部并行讀/寫。</p><p>　　常用的ARM10E的內(nèi)核有：ARM1020E、ARM1022E及ARM1026EJ-S。</p><p>　　ARM微處理器的工作模式和異常處理</p&g

82、t;<p>　　ARM支持7種工作模式，分別處理不同的需求，如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 ARM類處理器的處理模式</p><p>　　ARM支持7種異常模式，這里的異常包含中斷，兩者的不同僅僅在于從異常(或中斷)返回時的地址不同，異常返回時的地址是發(fā)生異常的哪條指令所在的地址，而中斷返回時的地址的是中斷的下一條指令所在的地址，如表3-2所示。</p&

83、gt;<p>　　表3-2 ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)運行時，異常可能會隨時發(fā)生，為保證在ARM處理器發(fā)生異常時不至于處于未知狀態(tài)，在應(yīng)用程序的設(shè)計中，首先要進(jìn)行異常處理，采用的方式是在異常向量表中的特定位置放置一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，當(dāng)ARM處理器發(fā)生異常時，程序計數(shù)器PC會被強(qiáng)制設(shè)置為對應(yīng)的異常向量，從而跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，當(dāng)異常處理完成以后，返回到主程序繼

84、續(xù)執(zhí)行。</p><p>　　表3-3 異常向量表</p><p><b>　　ARM寄存器</b></p><p>　　ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組(BANK)，這些寄存器為31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器(PC指針)，均為32位的寄存器。6個狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài)，均為32位。</p>

85、;<p>　　ARM處理器有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括15個通用寄存器 (R0-R14)、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。</p><p><b>　　1) 寄存器R13</

86、b></p><p>　　寄存器R13在ARM指令中常用作堆棧指針，但這只是一種習(xí)慣用法，用戶也可使用其他的寄存器作為堆棧指針。而在Thumb指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用R13作為堆棧指針。</p><p>　　由于處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在用戶應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的?？臻g，這樣，當(dāng)程序的運行進(jìn)入

87、異常模式時，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時，則從對應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。</p><p><b>　　2) 寄存器R14</b></p><p>　　R14也稱作子程序連接寄存器(Subroutine Link Register)或連接寄存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時，R14中得到R

88、15(程序計數(shù)器PC)的備份。其他情況下，R14用作通用寄存器。與之類似，當(dāng)發(fā)生中斷或異常時，對應(yīng)的分組寄存器R14_svc，R14_irq，R14_fiq，R14_abt和R14_und用來保存R15的返回值。</p><p>　　3) 程序計數(shù)器PC(Rl5)</p><p>　　寄存器R15用作程序計數(shù)器(PC)。在ARM狀態(tài)下，位[1:0]為0，位[31:2]用于保存PC;在Thu

89、mb狀態(tài)下，位[0]為0，位[31:1]用于保存PC；雖然可以用作通用寄存器，但是有一些指令在使用R15時有一些特殊限制，若不注意，執(zhí)行的結(jié)果將是不可預(yù)料的。在ARM狀態(tài)下，PC的0和1位是0，在Thumb狀態(tài)下，PC的0位是0。</p><p>　　寄存器R16用作CPSR(Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運行模式下被訪問，它包括條件標(biāo)志位、

90、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。</p><p>　　每一種運行模式下又都有一個專用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR(Saved Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器)，當(dāng)異常發(fā)生時，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從異常退出時則可由SPSR來恢復(fù)CPSR。</p><p>　　由于用戶模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒有

91、SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問SPSR，結(jié)果是未知的。</p><p>　　ARM微處理器的選型</p><p><b>　　1) 從速度上考慮</b></p><p>　　如果所做的產(chǎn)品人機(jī)接口比較多，不需要CPU工作太多時間，通常會選用ARM7的CPU，例如PDA、MP3播放器、錄音筆等產(chǎn)品。但是如果需要CPU的工作量很大，就會考慮ARM9

92、以上的CPU，如矩陣式硬盤。</p><p>　　2) 從計算機(jī)上考慮</p><p>　　如視頻壓縮和解壓縮的產(chǎn)品PMP(Portable Media Player)，還有一些高端的手機(jī)也都有視頻壓縮和解壓縮功能。此類產(chǎn)品會選用有浮點運算及DSP功能的ARM9E以上的CPU。</p><p>　　3) 從操作系統(tǒng)上考慮</p><p>　　

93、一類是需要CPU提供MMU的操作系統(tǒng)，如WinCE或Linux等，就需要ARM9以上的CPU；另一類是不需要MMU的操作系統(tǒng)，如uClinux。</p><p>　　4) 從控制器接口考慮</p><p>　　除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片都根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能控制器，并整合在SoC之中，即控制接口。如USB控制器、IIS控制器、LCD控制器、鍵盤控制器、R

94、TC、ADC和DAC等。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的需求，盡量采用SoC內(nèi)的控制器來完成所需要的功能。這樣既可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，同時又可以提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的LPC2124。LPC2124包含一個支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線(AHB)和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線(VPB

95、，ARMAMBA總線的兼容超集)。片內(nèi)有16K字節(jié)靜態(tài)RAM和256K的FLASH存儲器。</p><p>　　PWM電動機(jī)驅(qū)動電路</p><p><b>　　PWM基本原理</b></p><p>　　PWM(Pulse Width Modulation)控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形

96、狀和幅值)。</p><p><b>　　1) 理論基礎(chǔ) </b></p><p>　　沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量是指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。</p><p>　　圖3-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p>&

97、lt;p>　　2) 面積等效原理 </p><p>　　分別將如圖3-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)(R-L電路)上，如圖3-2的a)圖，其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖3-2的圖b)所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后

98、將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同[8]。</p><p>　　圖3-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形</p><p>　　用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積(沖量)相等，寬度按正弦規(guī)律變化。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即

99、可。如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 用PWM波代替正弦半波</p><p>　　PWM調(diào)速控制系統(tǒng)介紹</p><p>　　20世紀(jì)70年代以前，以晶閘管為基礎(chǔ)組成的相控整流裝置是機(jī)電傳動中主要使用的變速裝置，但是由于晶閘管是一種只能控制其導(dǎo)通不能控制其關(guān)斷的半控型器件，使得由其構(gòu)成的V-M(晶閘管-電動機(jī)調(diào)速)系統(tǒng)的性能受到一定的限制。電力電子器件

100、的發(fā)展，使得稱為第二代電力電子器件的既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件得到了廣泛的應(yīng)用，采用全控型電力電子器件GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、GTR(電力晶體管)、P-MOSFET(電力場效應(yīng)管)、IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)等組成的直流脈沖寬度調(diào)制型(PWM)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成熟，用途越來越廣，在直流電氣傳動中呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。</p><p>　　1) PWM系統(tǒng)的優(yōu)點</p><

101、p>　?、?主電路線路簡單，需用的功率元件少。</p><p>　　② 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小。</p><p>　?、?低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。</p><p>　?、?系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。</p><p>　?、?主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。

102、</p><p>　?、?直流電源采用不控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。</p><p><b>　　2) 脈寬調(diào)速原理</b></p><p>　　通常，在一個電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過功率器件將所需的電流和能量傳送到電機(jī)線圈繞組中來控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，而PWM信號即是用來控制功率器件的開啟和關(guān)閉時間的[8]。脈寬調(diào)速實質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均

103、功率，其表達(dá)式為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中P為電機(jī)兩端的平均功率；為電機(jī)全速運轉(zhuǎn)的功率；K為脈寬。</p><p>　　當(dāng)K=1時，相當(dāng)于加入直流電壓，這時電機(jī)全速運轉(zhuǎn)，；當(dāng)K=0時，相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓，電機(jī)靠慣性運轉(zhuǎn)。</p><p>　　當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開動后，有

104、(f為摩擦力)</p><p>　　則：(3-2)</p><p>　　所以，(3-3)</p><p>　　由上式可知電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈寬成正比。</p><p>　　3) PWM變換器調(diào)速方式</p><p>　　(1) 單極性變換器</p>

105、;<p>　　單極性方式變換器是一路輸入低電平，另一路輸入PWM信號，兩路切換和對PWM調(diào)節(jié)決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。優(yōu)點是電路簡單，缺點是調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)向不易控制。</p><p>　　(2) 雙極性變換器</p><p>　　雙極性變換器是兩路輸入高低電平相反的PWM信號，通過其高電平時差決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。缺點是電路復(fù)雜，優(yōu)點是調(diào)速范圍廣、低速平穩(wěn)性好。</p&

106、gt;<p>　　從系統(tǒng)功能實現(xiàn)的簡單性出發(fā)，本設(shè)計將采用雙極性變換器。</p><p><b>　　PWM控制電路</b></p><p>　　經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM電路、延時電路和驅(qū)動電路組成。其基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理如圖3-4。PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓(電流調(diào)節(jié)器輸出的U1)進(jìn)行比較，電壓比較器輸

107、出的是一系列方波信號。如果改變U1的大小，那么方波脈沖寬度將會改變，從而達(dá)到脈寬調(diào)制的目的。</p><p>　　(a) 基本電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　(b) 脈寬調(diào)制原理</p><p>　　圖3-4 PWM基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理</p><p>　　脈寬調(diào)制信號的質(zhì)量，對于PWM調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號的

108、質(zhì)量。如果三角波的線性度不好，那么PWM的輸出將得不到對稱的波形。這對調(diào)速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。</p><p>　　在本設(shè)計中，主要功能芯片為LPC2124，由于該芯片自帶PWM模塊，所以控制部分省去了三角波產(chǎn)生電路、脈沖調(diào)制電路以及PWM信號延遲分配電路，取而代之的是LPC2124芯片的PWM模塊和附加外圍電路組成的雙極性PWM發(fā)生器。采用這種芯片控制可以增加調(diào)速的靈活性和精確性

109、，同時又可以在實現(xiàn)調(diào)速功能之外實現(xiàn)其他的功能。</p><p>　　LPC2124可提供6路PWM直接輸出，控制電機(jī)的調(diào)速范圍大，使用方便。</p><p>　　本設(shè)計使用LPC2124的P0.21引腳的PWM5功能，P0.25的GPIO功能,外接由74HC08和7404組成的組合電路，生成兩路PWM信號，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 PWM控制電

110、路</p><p><b>　　PWM驅(qū)動電路</b></p><p>　　1) 雙極性橋式電路原理</p><p>　　雙極性驅(qū)動電路目前常用的是H型，也就是橋式電路。</p><p>　　采用以GTR為開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)，如圖3-6所示。圖中，四只GTR分為兩組，VT1和VT4為一組，V

111、T2和VT3為另一組。同一組中的兩只GTR同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動機(jī)M向正方向轉(zhuǎn)動，則要求控制電壓Uk為正。欲使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓Uk為負(fù)即可。</p><p>　　圖3-6 H橋功率放大電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　2) L298實現(xiàn)電動機(jī)雙極性控制</p><p>　　在實際中，橋式電路中四個三極管的參數(shù)由于各種

112、影響會不一致，使控制難度加大，考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素，本系統(tǒng)采用L298來代替三級管所構(gòu)成的驅(qū)動電路。</p><p>　　驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點。每一組PWM波用來控制一個電機(jī)的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路也很簡單，這樣簡化了電路的復(fù)雜性。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3-7所示

113、。</p><p>　　圖3-7 L298內(nèi)部電路</p><p>　　L298每個H橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳(SENSEA和SENSEB)用來連接電流檢測電阻。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關(guān)，即實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA、ENB引腳則為使能控制端，UTI-OUT4是信號的輸出端，用于控制電機(jī)[9]。下表給出了電機(jī)控制方向引腳的邏輯關(guān)系

114、。</p><p>　　表3-4 L298引腳的邏輯關(guān)系</p><p>　　圖3-8為采用內(nèi)部集成有兩個橋式電路的專用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動電路。本設(shè)計中只使用L298其中一組引腳控制電機(jī)，另一組沒有使用。如圖所示，P0.25控制電機(jī)的方向，P0.21輸入的PWM控制電機(jī)的速度。P0.25為“0”，P0.21輸入PWM波時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過改變PWM的占空比可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。而當(dāng)P