畢業(yè)論文-基于ARM的工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)研究-直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)

PAGE分類(lèi)號(hào)密級(jí)學(xué)校代碼1學(xué)號(hào)0408030417題目：基于ARM的工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)研究——直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)作者：

摘要目前，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(gè)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(lái)越多的關(guān)注。本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)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ARM7TDMI-S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(yùn)用性能價(jià)格比較好的集成電機(jī)控制芯片L298作為直流電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)器件；采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集；采用LPC2124內(nèi)部集成定時(shí)器的捕獲功能對(duì)編碼器生成的脈沖序列信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；采用74LS74作為鑒相器而識(shí)別電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向；采用單閉環(huán)PI控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；采用LCD1602系列顯示屏即時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息；采用4×4矩陣鍵盤(pán)對(duì)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(yǔ)言編寫(xiě)，遵循模塊化設(shè)計(jì)的原則，編寫(xiě)了轉(zhuǎn)速的測(cè)量、轉(zhuǎn)速的PWM驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速的顯示、鍵盤(pán)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ProteusISIS仿真工具對(duì)系統(tǒng)仿真，并在仿真平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試與分析。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度可以滿(mǎn)足一般工業(yè)控制的要求，能夠應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中，滿(mǎn)足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。而且能夠防止用戶(hù)的誤操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，具有一定的實(shí)用性和較高的社會(huì)推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式系統(tǒng)；直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；LPC2124

ABSTRACTAtpresent,theembeddedsystemthatbasedontheARMtechnologyalmosthasbeenusedoneachfield,andthistechnologyisthemainstreamofcurrent32bitsembeddedsystem.ApplicationsofARMinthefieldofindustrialcontrolhavealsobeenattractedmoreandmoreattention.ThisarticledesignedanembeddedsystemofDCmotorspeedcontrolwhichbasedonARM.ThissystemtaketheARM7TDMI-ScoretothePHILIPS’LPC2124chipasthecontrolcore,configuredcorrespondingoutsidetosupposeandtheinterfaceelectriccircuit,usestheintegratedmotorcontrollerL298asthePWMdrivendevicewhichwithhighperformancepriceratio;usesthephotoelectricencodertoachievethespeedsignalacquisition;usesthecaptureofintegratedtimerinternalLPC2124tomeasurethepulsesequenceswhichgeneratedbyencoder;usesthe74LS74asaphasedetectortoreal-timeidentifythedirection;usestheLCD1602screentoreal-timedisplaytheinformationofthemotorrotation;usesthe4×4matrixkeyboardtosetandcontrolthespeedanddirection.ThesoftwareofthissystemwritteninCprogramminglanguagemainly,followtheprinciplesofmodulardesign,includingthespeedmeasurement,speedPWMdrive,speedPI-conditioning,speeddisplay,keyboardinput,andotherproceduresmodule.Thecodehaseasymaintenanceandgreatprobability.Finally,usestheProteusISISsimulationtooltoimplementtheemulationofthissystem,thentestandanalysisthesystem’sperformanceonthesimulationplatform.Theaccuracyofthesystemcansatisfythegeneraldemandofgeneralindustrialcontrol,andcanbeappliedtotheactualproductionandliving,satisfytherequirementofmodernproduction,preventthewrongoperationofusers,improvethesafetyandstabilityofthesystem,havethecertainusabilityandahighersocialpromotingvalue.KeyWords:ARM;embeddedsystems;speedcontrolforDCmotor;LPC2124-PAGEIII-目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1課題引入 11.2本課題研究背景和意義 21.3本課題的主要任務(wù)及工作 21.4嵌入式系統(tǒng)概述 21.4.1嵌入系統(tǒng)的定義、特點(diǎn) 31.4.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 31.4.3嵌入系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 42系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)分析 52.1.1系統(tǒng)功能分析 52.1.2系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu) 52.1.3技術(shù)方案可行性研究 62.2系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 72.2.1嵌入式系統(tǒng)的硬件 72.2.2系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu) 82.2.3核心控制電路 82.2.4電動(dòng)機(jī)接口電路 82.2.5用戶(hù)接口電路 82.3系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 92.3.1嵌入式系統(tǒng)的軟件 92.3.2系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 92.3.3后臺(tái)程序組成 92.3.4前臺(tái)程序組成 102.4本章小結(jié) 103系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 113.1微控制器電路 113.1.1ARM微處理器介紹 113.1.2ARM微處理器的工作模式和異常處理 123.1.3ARM寄存器 143.1.4ARM微處理器的選型 153.2PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 163.2.1PWM基本原理 163.2.2PWM調(diào)速控制系統(tǒng)介紹 173.2.3PWM控制電路 183.2.4PWM驅(qū)動(dòng)電路 203.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 223.3.1光電編碼器介紹及選擇 223.3.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 233.3.3轉(zhuǎn)向識(shí)別電路 233.4LCD顯示電路 253.5鍵盤(pán)電路 263.6本章小結(jié) 264系統(tǒng)軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 274.1ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 274.2系統(tǒng)啟動(dòng)流程 284.3主程序模塊 284.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊 294.4.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 294.4.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)程序 304.5PWM驅(qū)動(dòng)模塊 314.5.1PWM方案選擇 314.5.2PWM的寄存器介紹 324.5.3PWM初始化子程序 334.5.4PWM脈寬控制子程序 334.6液晶顯示模塊 364.6.11602顯示原理 364.6.21602液晶顯示流程 384.7鍵盤(pán)掃描模塊 394.8本章小結(jié) 395系統(tǒng)的仿真 415.1ProteusISIS介紹 415.1.1ProteusISIS的特點(diǎn) 415.1.2Proteus仿真注意事項(xiàng) 415.2系統(tǒng)電路仿真圖設(shè)計(jì) 425.3各子系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 435.3.1轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路仿真 435.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路仿真 445.3.3鍵盤(pán)輸入仿真 445.4系統(tǒng)仿真的運(yùn)行流程 455.5仿真性能測(cè)試及分析 475.5.1性能測(cè)試 475.5.2性能分析 475.6本章小結(jié) 48結(jié)束語(yǔ) 49致謝 50參考文獻(xiàn) 51-PAGE51-緒論課題引入ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1990年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)技術(shù)也席卷了全球嵌入式市場(chǎng)，已成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一。基于ARM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(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)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(gè)系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費(fèi)者所接受，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。到目前為止，ARM以高性能、低價(jià)位、低功耗、小體積等特色廣泛地進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域：1)工業(yè)控制領(lǐng)域由于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。2)通信產(chǎn)品一般的ARMSoC都支持嵌入式操作系統(tǒng)。ARM在通信產(chǎn)品上已經(jīng)有了完整的解決方案，如網(wǎng)絡(luò)電話(huà)(VoIP)、ADSLRouter和IPRouter等。3)無(wú)線通訊領(lǐng)域目前已有超過(guò)85%的無(wú)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。4)安全控制系統(tǒng)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(dòng)化，也已逐漸采用ARM的核心技術(shù)。5)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品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(huì)在將來(lái)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(duì)于學(xué)習(xí)高性能單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，嵌入式系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)處理，工業(yè)自動(dòng)化處理具有重要意義。本課題研究背景和意義在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會(huì)用用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)的控制要求越來(lái)越精確和迅速，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)要求越來(lái)越高。隨著科技的發(fā)展，通過(guò)對(duì)電機(jī)的改造，出現(xiàn)了一些針對(duì)各種應(yīng)用要求的電機(jī)，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等非傳統(tǒng)電機(jī)。但是在一些對(duì)位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動(dòng)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(shì)，而要對(duì)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(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，受環(huán)境影響小，功能復(fù)雜，系統(tǒng)修改簡(jiǎn)單，有很好的人機(jī)交換界面等特點(diǎn)[2]。自動(dòng)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，其中自動(dòng)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(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、容易維護(hù)，但是它具有良好的起、制動(dòng)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(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中的主要形式。在我國(guó)許多工業(yè)部門(mén)，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(dòng)的場(chǎng)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(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。近年來(lái)，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展速度飛快，以計(jì)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(huì)的各個(gè)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(shì)。本課題的主要任務(wù)及工作通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)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(yùn)用到實(shí)際的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，為以后進(jìn)一步開(kāi)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(jì)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(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的要求。嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)很廣義的概念，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(shí)時(shí)操系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件構(gòu)成，軟件和硬件之間由中間層連接。嵌入系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)1)嵌入式系統(tǒng)定義根據(jù)IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車(chē)間運(yùn)行的裝置”(devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants)。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(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]。由于嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)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(diǎn)的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)，很難給它下一個(gè)準(zhǔn)確的定義。因此目前常說(shuō)的嵌入式系統(tǒng)概念的重心放在“系統(tǒng)”上，指能夠運(yùn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件構(gòu)成，軟件和硬件之間由所謂的中間(BSP層，板級(jí)支持包)層連接。2)嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①嵌入式系統(tǒng)是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。②嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。③系統(tǒng)內(nèi)核小(uC/OSII內(nèi)核源碼只有5500行)。④專(zhuān)用性強(qiáng)。⑤系統(tǒng)精簡(jiǎn)。⑥交叉平臺(tái)開(kāi)發(fā)(cross-platformdevelopment)。⑦嵌入式軟件開(kāi)發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。⑧嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r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(chē)、家電、工業(yè)機(jī)器人、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)獲得更佳的使用性能、更易使用、速度更快、價(jià)格更低。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)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。20世紀(jì)80年代早期開(kāi)始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開(kāi)始用商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)”編寫(xiě)嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本并提高開(kāi)發(fā)效率。20世紀(jì)90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模的不斷上升，實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)有更多的公司開(kāi)始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。如PlamOS、WindowsCE、嵌入式Linux、Lynx、Nucleus以及國(guó)內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)。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(wàn)門(mén)，設(shè)計(jì)復(fù)雜度達(dá)到系統(tǒng)級(jí)，SOC(SystemOnChip)芯片的設(shè)計(jì)和制造己成為IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流及必然趨勢(shì)。性能價(jià)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(chǎng)。嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也進(jìn)入到了一個(gè)“系統(tǒng)”開(kāi)發(fā)的階段，在這個(gè)階段的開(kāi)發(fā)模式己經(jīng)不是單片機(jī)時(shí)代的開(kāi)發(fā)方式所能夠適應(yīng)的。要開(kāi)發(fā)一個(gè)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(jì)算機(jī)學(xué)科的各個(gè)方面，主要關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域是消費(fèi)電子、3G領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等，主要的技術(shù)熱點(diǎn)包括嵌入式操作系統(tǒng)、系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和嵌入式內(nèi)容服務(wù)[5]。嵌入系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)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(gè)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(shì)；應(yīng)用時(shí)精簡(jiǎn)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。所以，通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的基本概念和應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)的了解，可以看到，嵌入式系統(tǒng)的研究是計(jì)算機(jī)學(xué)科綜合各項(xiàng)理論和技術(shù)的集大成者。

系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，在功能上是獨(dú)立的，在沒(méi)有上位機(jī)控制的情況下能獨(dú)立地完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控。系統(tǒng)的軟件代碼采用模塊化設(shè)計(jì)，使其便于測(cè)試、修改，同時(shí)具有良好的可移植性和通用性。系統(tǒng)分析系統(tǒng)功能分析本文旨在設(shè)計(jì)一種嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，使得機(jī)器設(shè)備能夠通過(guò)該系統(tǒng)與人之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的目的?；谝陨夏繕?biāo)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：①可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置和控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。②在一定時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)到達(dá)設(shè)置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。③采取一定策略實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。④可即時(shí)顯示轉(zhuǎn)速值。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示，本系統(tǒng)的主要功能模塊有：轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、光電轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)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(cè)量的電信號(hào)。PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用來(lái)將計(jì)算機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，鍵盤(pán)和顯示器是本系統(tǒng)的人機(jī)接口。技術(shù)方案可行性研究1)電機(jī)調(diào)速控制模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速方案的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及正、反轉(zhuǎn)。①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(dòng)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(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難[6]。②采用繼電器開(kāi)關(guān)控制。采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。③采用H型PWM電路。采用由電子開(kāi)關(guān)組成的H型PWM電路用單片機(jī)控制電子開(kāi)關(guān)使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)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)。兼于方案三調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，且能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，因此本設(shè)計(jì)采用第三個(gè)方案。2)檢速模塊①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(chǎng)的大小有關(guān))并在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝磁片，利用位置固定的開(kāi)關(guān)型霍爾元器件來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。②光反射式。采用反射式紅外器件。在電動(dòng)機(jī)輪輻面板上均勻畫(huà)出黑底白線或白底黑線，通過(guò)正對(duì)線條的反射式紅外器件，產(chǎn)生脈沖。通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)測(cè)速。③光對(duì)射式。采用對(duì)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(duì)的紅外發(fā)射、接收器件。在過(guò)孔處接收器可以接收到信號(hào)。從而輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車(chē)速測(cè)量。由于方案三產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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(jì)要求，因此選擇了第三個(gè)方案。3)供電電源選擇①單電源供電。優(yōu)點(diǎn)是供電電路簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是由于電機(jī)的特性，電壓波動(dòng)較大，嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電。②雙電源供電。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源其它電路電源分離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是減少耦合，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；缺點(diǎn)為電路較復(fù)雜。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。綜上所述，本系統(tǒng)總體方案如表2-1所示。表2-1系統(tǒng)方案配置表模塊使用方案電機(jī)調(diào)速控制模塊H型PWM電路檢速模塊光對(duì)射式電源模塊雙電源系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的硬件嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心，近年來(lái)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(zhuān)業(yè)分工也越來(lái)越明顯，出現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)的IP(IntellectualPropertyCore知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)供應(yīng)商。一般可以將嵌入式處理器分成以下4類(lèi)：1)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)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。2)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的指令執(zhí)行速度，適應(yīng)于高速數(shù)字信號(hào)處理。如TI的TMS302C2000/C5000，Intel的MCS-296，Siemens的TriCoreo。3)嵌入式微處理器(MicroprocessorUnit，MPU)由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)，具有32位以上的處理器、較高的性能。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)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。4)嵌入式SOC(SystemOnChip)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(chǔ)在同一存儲(chǔ)器)、哈佛體系結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)和指令都提供了各自獨(dú)立的存儲(chǔ)器)。系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)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(cè)模塊和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成的電動(dòng)機(jī)接口電路，第三部分為鍵盤(pán)輸入模塊和液晶顯示模塊組成用戶(hù)接口電路，設(shè)計(jì)方案的硬件詳細(xì)框圖如圖2-2所示。圖2-2詳細(xì)的硬件體系結(jié)構(gòu)框圖核心控制電路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ARMTDMI-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。電動(dòng)機(jī)接口電路電動(dòng)機(jī)接口電路用于檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用光電耦合器件配合控制核心的脈沖捕獲功能實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用控制核心的PWM功能和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)接口電路用戶(hù)接口電路用于獲取用戶(hù)的輸入和將系統(tǒng)相關(guān)信息顯示給用戶(hù)，本系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤(pán)獲取用戶(hù)輸入，采用LCD1602系列液晶顯示屏顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的軟件通常嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)主要有兩種：前后臺(tái)系統(tǒng)(Foreground/Background)和基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)。前后臺(tái)系統(tǒng)又稱(chēng)為超循環(huán)系統(tǒng)(Super-loops)，其應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)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(tái)行為，中斷服務(wù)程序處理異步事件，可看作是前臺(tái)行為[4]；基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，操作系統(tǒng)是連接計(jì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和分時(shí)操作系統(tǒng)兩類(lèi)。系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合本系統(tǒng)的性能要求，本設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3軟件體系結(jié)構(gòu)框圖后臺(tái)程序組成1)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊用于將定時(shí)器捕獲的脈沖值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速值單位為RPM(RevolutionPerMinute)，即每分鐘多少轉(zhuǎn)。此外，本模塊還具有轉(zhuǎn)向識(shí)別功能，用于控制PWM驅(qū)動(dòng)的方向。2)轉(zhuǎn)速-PWM轉(zhuǎn)換模塊轉(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(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的PWM值。前臺(tái)程序組成1)鍵盤(pán)掃描模塊鍵盤(pán)掃描將系統(tǒng)鍵盤(pán)接口的輸入映射為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。2)PWM更新模塊PWM更新模塊將后臺(tái)轉(zhuǎn)換的PWM值更新到PWM輸出端。3)轉(zhuǎn)速顯示模塊轉(zhuǎn)速顯示模塊將后臺(tái)的檢測(cè)結(jié)果和用戶(hù)輸入顯示在LCD上。本章小結(jié)本章是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，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(gè)部分分別介紹。硬件設(shè)計(jì)部分包括LPC2124為核心的控制電路、鍵盤(pán)和LCD組成的用戶(hù)電路、檢速和PWM驅(qū)動(dòng)組成的電機(jī)接口電路三個(gè)單元，通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，從硬件上實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)和電機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；軟件部分采用前后臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，后臺(tái)是系統(tǒng)的中斷處理程序，前臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)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(jì)，這增強(qiáng)了系統(tǒng)的易維護(hù)性及開(kāi)放性。

系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括微控制器電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路、矩陣鍵盤(pán)電路等設(shè)計(jì)。微控制器電路嵌入式系統(tǒng)的硬件核心部件是各種類(lèi)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(yùn)算處理能力等各方面性能指標(biāo)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合均有較為特殊的要求，不同的行業(yè)不同的場(chǎng)合對(duì)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(lèi)繁多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)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?xún)r(jià)比占有很大優(yōu)勢(shì)，因此32位的嵌入式處理器得到越來(lái)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]。ARM微處理器介紹ARM微處理器內(nèi)核是ARM技術(shù)的核心，目前市場(chǎng)上能夠見(jiàn)到的有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、ARM11，還有Intel的Xcale微體系架構(gòu)及StrongARM等系列[1]。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。ARM按照內(nèi)核可以分為以下幾種：1)ARM7微處理器系列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(duì)價(jià)位核功率要求較高的應(yīng)用，其特點(diǎn)如下：①具有嵌入式ICE邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。②低功耗，適合便攜式產(chǎn)品。③具有16位Thumb指令集。④主頻可達(dá)130MIPS。常用的ARM7的內(nèi)核有：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ-s等，其中各個(gè)英文字母所代表的意義如下：T：支持16位Thumb指令集。D：支持在線Debug。M：內(nèi)嵌乘法器Multiplier。I：內(nèi)嵌入式ICE，支持在線斷點(diǎn)和調(diào)試。E：DSP指令，表示支持DSP的特定指令，主要是16位的Thumb指令。S：可以綜合，提供VHDL或者Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)自己特定的硬件。J：支持新的Java功能。本系統(tǒng)使用的PHILIPS公司的LPC2124就是采用ARM7TDMI-S的內(nèi)核。2)ARM9微處理器系列除了ARM7的功能外，ARM9還具有以下特點(diǎn)：①支持32位的AMBA(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture)總線接口。②支持MMU(MemoryManagementUnit),可提供WindowsCE及LinuxKernel2.6以上的操作系統(tǒng)。③支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存(DataCache)及指令緩存(InstructionCache),提高了CPU的處理效率。常用的ARM9的內(nèi)核有ARM920T、ARM922T和ARM940T。3)ARM9E微處理器系列它是一個(gè)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：①支持DSP指令集，適合高速運(yùn)算。②支持VFP9浮點(diǎn)運(yùn)算。③CPU主頻高達(dá)300MIPS。常用的ARM9E的內(nèi)核有：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。4)ARM10E微處理器系列它采用了新的架構(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。除了ARM9的功能外，ARM10E還具有以下功能：①支持VFP10浮點(diǎn)運(yùn)算。②主頻高達(dá)400MIPS。③內(nèi)部并行讀/寫(xiě)。常用的ARM10E的內(nèi)核有：ARM1020E、ARM1022E及ARM1026EJ-S。ARM微處理器的工作模式和異常處理ARM支持7種工作模式，分別處理不同的需求，如表3-1所示。表3-1ARM類(lèi)處理器的處理模式處理器模式描述用戶(hù)模式正常程序執(zhí)行的模式快速中斷模式用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理外部普通中斷模式用于普通中斷處理特權(quán)模式操作系統(tǒng)使用的一種特權(quán)模式數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止模式用于虛擬存儲(chǔ)以及存儲(chǔ)保護(hù)未定義指令模式用于支持通過(guò)軟件方法仿真硬件協(xié)處理器系統(tǒng)模式運(yùn)行特權(quán)級(jí)的系統(tǒng)任務(wù)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(shí)的地址不同，異常返回時(shí)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(shí)的地址的是中斷的下一條指令所在的地址，如表3-2所示。表3-2ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常異常類(lèi)型具體含義復(fù)位當(dāng)處理器的復(fù)位電平有效時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位異常，程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位異常處理程序處執(zhí)行。未定義指令當(dāng)ARM處理器或協(xié)處理器遇到不能處理的指令時(shí)，產(chǎn)生未定義指令異常。可使用該異常機(jī)制進(jìn)行軟件仿真。軟件中斷該異常由執(zhí)行SWI指令產(chǎn)生，可用于用戶(hù)模式下的程序調(diào)用特權(quán)操作指令，可使用該異常機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用。指令預(yù)取中止若處理器預(yù)取指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)，存儲(chǔ)器會(huì)向處理器發(fā)出中止信號(hào)，但當(dāng)預(yù)取的指令被執(zhí)行時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生指令預(yù)取中止異常。數(shù)據(jù)中止若處理器數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問(wèn)時(shí)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。IRQ(外部中斷請(qǐng)求)當(dāng)處理器的外部中斷請(qǐng)求引腳有效，且CPSR中的I位為0時(shí)，產(chǎn)生IRQ異常。系統(tǒng)的外設(shè)可通過(guò)該異常請(qǐng)求中斷服務(wù)。FIQ(快速中斷請(qǐng)求)當(dāng)處理器的快速中斷請(qǐng)求引腳有效，且CPSR中的F位為0時(shí)，產(chǎn)生FIQ異常。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，異?？赡軙?huì)隨時(shí)發(fā)生，為保證在ARM處理器發(fā)生異常時(shí)不至于處于未知狀態(tài)，在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)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(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC會(huì)被強(qiáng)制設(shè)置為對(duì)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，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。表3-3異常向量表地址異常進(jìn)入模式0x0000,0000復(fù)位管理模式0x0000,0004未定義指令未定義模式0x0000,0008軟件中斷管理模式0x0000中止(預(yù)取指令)中止模式0x0000,0010中止(數(shù)據(jù))中止模式0x0000,0014保留保留0x0000,0018IRQIRQ0x0000FIQFIQARM寄存器ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組(BANK)，這些寄存器為31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器(PC指針)，均為32位的寄存器。6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位。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(duì)應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問(wèn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器(R0-R14)、一至二個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)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(gè)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。1)寄存器R13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(hù)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。由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，在用戶(hù)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(yùn)行模式的?？臻g，這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)，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(shí)，則從對(duì)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。2)寄存器R14R14也稱(chēng)作子程序連接寄存器(SubroutineLinkRegister)或連接寄存器LR。當(dāng)執(zhí)行BL子程序調(diào)用指令時(shí)，R14中得到R15(程序計(jì)數(shù)器PC)的備份。其他情況下，R14用作通用寄存器。與之類(lèi)似，當(dāng)發(fā)生中斷或異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的分組寄存器R14_svc，R14_irq，R14_fiq，R14_abt和R14_und用來(lái)保存R15的返回值。3)程序計(jì)數(shù)器PC(Rl5)寄存器R15用作程序計(jì)數(shù)器(PC)。在ARM狀態(tài)下，位[1:0]為0，位[31:2]用于保存PC;在Thumb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(shí)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。寄存器R16用作CPSR(CurrentProgramStatusRegister，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)，CPSR可在任何運(yùn)行模式下被訪問(wèn)，它包括條件標(biāo)志位、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。每一種運(yùn)行模式下又都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱(chēng)為SPSR(SavedProgramStatusRegister，備份的程序狀態(tài)寄存器)，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，SPSR用于保存CPSR的當(dāng)前值，從異常退出時(shí)則可由SPSR來(lái)恢復(fù)CPSR。由于用戶(hù)模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒(méi)有SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪問(wèn)SPSR，結(jié)果是未知的。ARM微處理器的選型1)從速度上考慮如果所做的產(chǎn)品人機(jī)接口比較多，不需要CPU工作太多時(shí)間，通常會(huì)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(huì)考慮ARM9以上的CPU，如矩陣式硬盤(pán)。2)從計(jì)算機(jī)上考慮如視頻壓縮和解壓縮的產(chǎn)品PMP(PortableMediaPlayer)，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(lèi)產(chǎn)品會(huì)選用有浮點(diǎn)運(yùn)算及DSP功能的ARM9E以上的CPU。3)從操作系統(tǒng)上考慮一類(lèi)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(lèi)是不需要MMU的操作系統(tǒng)，如uClinux。4)從控制器接口考慮除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(pán)控制器、RTC、ADC和DAC等。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的需求，盡量采用SoC內(nèi)的控制器來(lái)完成所需要的功能。這樣既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)又可以提高系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的LPC2124。LPC2124包含一個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、與片內(nèi)存儲(chǔ)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，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(chǔ)器。PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PWM基本原理PWM(PulseWidthModulation)控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。1)理論基礎(chǔ)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(shí)，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。圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2)面積等效原理分別將如圖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(duì)不同窄脈沖時(shí)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(jí)數(shù)分解后將可看出，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]。圖3-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)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(diǎn)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可。如圖3-3所示。圖3-3用PWM波代替正弦半波PWM調(diào)速控制系統(tǒng)介紹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(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速)系統(tǒng)的性能受到一定的限制。電力電子器件的發(fā)展，使得稱(chēng)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(mén)極可關(guān)斷晶閘管)、GTR(電力晶體管)、P-MOSFET(電力場(chǎng)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(lái)越廣，在直流電氣傳動(dòng)中呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。1)PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)①主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少。②開(kāi)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。③低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。④系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。⑤主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。⑥直流電源采用不控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。2)脈寬調(diào)速原理通常，在一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)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(lái)控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，而PWM信號(hào)即是用來(lái)控制功率器件的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間的[8]。脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，其表達(dá)式為： (3-1)式中P為電機(jī)兩端的平均功率；為電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的功率；K為脈寬。當(dāng)K=1時(shí)，相當(dāng)于加入直流電壓，這時(shí)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，；當(dāng)K=0時(shí)，相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓，電機(jī)靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開(kāi)動(dòng)后，有 (f為摩擦力)則： (3-2)所以， (3-3)由上式可知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈寬成正比。3)PWM變換器調(diào)速方式(1)單極性變換器單極性方式變換器是一路輸入低電平，另一路輸入PWM信號(hào)，兩路切換和對(duì)PWM調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是調(diào)速范圍窄，轉(zhuǎn)向不易控制。(2)雙極性變換器雙極性變換器是兩路輸入高低電平相反的PWM信號(hào)，通過(guò)其高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣、低速平穩(wěn)性好。從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性出發(fā)，本設(shè)計(jì)將采用雙極性變換器。PWM控制電路經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM電路、延時(shí)電路和驅(qū)動(dòng)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，電壓比較器輸出的是一系列方波信號(hào)。如果改變U1的大小，那么方波脈沖寬度將會(huì)改變，從而達(dá)到脈寬調(diào)制的目的。(a)基本電路結(jié)構(gòu)(b)脈寬調(diào)制原理圖3-4PWM基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理脈寬調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)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(hào)的質(zhì)量。如果三角波的線性度不好，那么PWM的輸出將得不到對(duì)稱(chēng)的波形。這對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。在本設(shè)計(jì)中，主要功能芯片為L(zhǎng)PC2124，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(hào)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，同時(shí)又可以在實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能之外實(shí)現(xiàn)其他的功能。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。本設(shè)計(jì)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(hào)，如圖3-5所示。圖3-5PWM控制電路PWM驅(qū)動(dòng)電路1)雙極性橋式電路原理雙極性驅(qū)動(dòng)電路目前常用的是H型，也就是橋式電路。采用以GTR為開(kāi)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VT4EQEQEQ為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只GTR同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)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(dòng)機(jī)M向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則要求控制電壓EQEQEQUkEQ為正。欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓Uk為負(fù)即可。圖3-6H橋功率放大電路結(jié)構(gòu)2)L298實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)雙極性控制在實(shí)際中，橋式電路中四個(gè)三極管的參數(shù)由于各種影響會(huì)不一致，使控制難度加大，考慮到電壓、電流的等級(jí)及尺寸、外觀等因素，本系統(tǒng)采用L298來(lái)代替三級(jí)管所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片L298是驅(qū)動(dòng)二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專(zhuān)用芯片，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)。每一組PWM波用來(lái)控制一個(gè)電機(jī)的速度，而另外兩個(gè)I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡(jiǎn)單，電路也很簡(jiǎn)單，這樣簡(jiǎn)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。圖3-7L298每個(gè)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(lái)連接電流檢測(cè)電阻。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)與關(guān)，即實(shí)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(hào)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。表3-4ENA(ENB)IN1(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)HHL正轉(zhuǎn)LLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止圖3-8為采用內(nèi)部集成有兩個(gè)橋式電路的專(zhuān)用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)中只使用L298其中一組引腳控制電機(jī)，另一組沒(méi)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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)改變PWM的占空比可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。而當(dāng)P0.25為“1”，P0.25輸入PWM波時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同樣通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。圖3-8PWM驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路由于本系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊所選方案為光對(duì)射式，基于此方式的傳感器一般使用光電編碼器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。光電編碼器介紹及選擇1)編碼器介紹光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器在碼盤(pán)上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過(guò)接受器將該數(shù)碼送入計(jì)算機(jī)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，必須對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理。增量式編碼器在碼盤(pán)上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)光柵的作用，持續(xù)不斷地開(kāi)發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。2)編碼器選擇增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多。絕對(duì)式編碼器能直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來(lái)，組成多級(jí)檢測(cè)裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)性作為標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)采用增量式編碼器作為檢測(cè)傳感器。3)增量式編碼器結(jié)構(gòu)增量式編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9增量式編碼器結(jié)構(gòu)它由主碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在主碼盤(pán)(光電盤(pán))周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤(pán)與主碼盤(pán)平行，并刻有兩組透明檢測(cè)窄縫，它們彼此錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90°。工作時(shí)，鑒向盤(pán)靜止不動(dòng)，主碼盤(pán)與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤(pán)與鑒向盤(pán)上。當(dāng)主碼盤(pán)上的不透明區(qū)正好與鑒向盤(pán)上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最??；當(dāng)主碼盤(pán)上的透明區(qū)正好與鑒向盤(pán)上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線全部通過(guò)，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。經(jīng)邏輯電路處理就可以測(cè)出被測(cè)軸的相對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)方向[10]。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)是通過(guò)捕獲編碼器輸出的脈沖頻率，然后將脈沖頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值。LPC2124內(nèi)部集成的兩個(gè)定時(shí)器都具有捕獲功能，每個(gè)定時(shí)器具有多達(dá)4路32位的捕獲通道，定時(shí)器對(duì)外設(shè)時(shí)鐘(pclk)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，可選擇產(chǎn)生中斷或根據(jù)4個(gè)匹配寄存器的設(shè)定，在到達(dá)指定的定時(shí)值時(shí)執(zhí)行其它動(dòng)作。它還包括4個(gè)捕獲輸入，用于在輸入信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)捕獲定時(shí)器值，并可選擇產(chǎn)生中斷[11]。本設(shè)計(jì)使用LPC2124的CAP0.1即P0.27引腳的捕獲功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖跳變的捕獲，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其電路圖如圖3-10，其中的光柵盤(pán)即旋轉(zhuǎn)編碼器，它是固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上與電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，放光管通過(guò)光柵盤(pán)產(chǎn)生跟轉(zhuǎn)速正比的脈沖串，通過(guò)光電晶體管的轉(zhuǎn)換輸入給P0.27引腳。圖3-10轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)向識(shí)別電路1)轉(zhuǎn)向鑒別原理上述脈沖序列正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置對(duì)準(zhǔn)鑒向盤(pán)，并錯(cuò)開(kāi)光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖序列A和B的相位相差90○，如圖3-11所示。正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。采用簡(jiǎn)單的鑒相電路就可以分辨出方向。圖3-11區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列2)鑒相電路本設(shè)計(jì)采用74LS74實(shí)現(xiàn)脈沖鑒相功能，從而識(shí)別電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。(1)74LS74引腳74LS74芯片是雙D集成觸發(fā)器。其內(nèi)部集成了兩個(gè)D觸發(fā)器，引腳圖如下圖所示。圖3-1274LS74芯片引腳圖(2)轉(zhuǎn)向檢測(cè)按照74LS74芯片引腳圖任選一只D觸發(fā)器接線，如下圖所示，D端接脈沖A，CLK端接脈沖B，Q端接轉(zhuǎn)向檢測(cè)端口P0.23，其中脈沖A和B相差1/4相位。圖3-13轉(zhuǎn)向檢測(cè)電路LCD顯示電路本系統(tǒng)的顯示部分采用RT1602字符顯示模塊，與采用數(shù)碼管相比，硬件連接和軟件調(diào)試上都由優(yōu)勢(shì)。只要把要顯示的內(nèi)容放進(jìn)液晶模塊的顯示存儲(chǔ)器里面就可以直觀的顯示出指定的內(nèi)容，操作方便。本設(shè)計(jì)將LCD連接到LPC2124的P0.0-P0.10口上，其電路如圖3-14所示。圖3-14顯示電路原理圖1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，其各引腳定義如下:第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15～16腳：空腳。鍵盤(pán)電路本系統(tǒng)采用的是4×4矩陣鍵盤(pán)，接到LPC2124的P1.16-P1.23口而實(shí)現(xiàn)，鍵盤(pán)的電路圖如圖3-15所示。圖3-15鍵盤(pán)電路本章小結(jié)本章是直流電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)的硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要介紹了以LPC2124為核心的系統(tǒng)硬件，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速監(jiān)控功能時(shí)的具體實(shí)現(xiàn)方法。在詳細(xì)介紹了ARM微處理器的組成及選型等內(nèi)容后，分別對(duì)系統(tǒng)各硬件模塊的實(shí)現(xiàn)機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了具體論述，其中主要硬件模塊為轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介ADS1.2是一個(gè)使用方便的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，全稱(chēng)是ARMDeveloperSuitev1.2。它是由ARM公司提供的專(zhuān)門(mén)用于ARM相關(guān)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件。ADS囊括了一系列的應(yīng)用，并有相關(guān)的文檔和實(shí)例的支持。使用者以用ADS來(lái)開(kāi)發(fā)、編譯、調(diào)試采用包括C、C++和ARM匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。ADS編譯器可以編譯C、C++及ARM的匯編語(yǔ)言，ADS提供的C語(yǔ)言是標(biāo)準(zhǔn)的ANSIC，C++是ANSIC++或EC++，它同時(shí)也可以提供16位Thumbcode的編譯。ADS編譯器可輸出ELF格式，ADS編譯器可連接一個(gè)以上的目標(biāo)文件(ObjectFile)，再加上必要的C或C++函數(shù)庫(kù)，成為一個(gè)ELF格式的可執(zhí)行文件，如果希望產(chǎn)生不同格式的文件，必須利用通用程序轉(zhuǎn)換[1]。ADS的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1ADS系統(tǒng)架構(gòu)ADS1.2集成了文件格式轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)設(shè)置輸出文件格式，可直接輸出Intel32bitHex，Plainbinary格式文件，其中Intel32bitHex文件可在Proteus仿真軟件上直接運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)流程當(dāng)微處理器加電啟動(dòng)后，需要做一些初始化工作，最后跳轉(zhuǎn)到用戶(hù)程序入口，執(zhí)行用戶(hù)的應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)[15][16]，其啟動(dòng)流程如下圖所示：圖4-2系統(tǒng)啟動(dòng)流程圖主程序模塊系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入用戶(hù)主程序的入口，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用功能，在用戶(hù)主程序模塊中主要分兩部分完成，其總體工作流程如圖4-3所示。1)初始化模塊①調(diào)用各子模塊的的初始化程序。②填寫(xiě)中斷程序的中斷向量地址，并開(kāi)中斷。2)無(wú)限循環(huán)模塊①將用戶(hù)的按鍵值轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)相關(guān)變量。②更新PWM占空比初始值。③即時(shí)更新LED顯示數(shù)據(jù)。圖4-3主程序流程圖轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)速測(cè)量原理利用增量式編碼器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。方法有兩種，分別應(yīng)用測(cè)量脈沖的頻率和周期的原理。1)頻率法測(cè)速在一定的時(shí)間Tc內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，把M1除以Tc就得到了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率f1=M1/Tc,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個(gè)脈沖(Z=倍頻系數(shù)×編碼光柵數(shù))，把f1除以Z就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)間Tc以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： (4-1)在上式中,Z和Tc均為常值,因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)M1。2)周期法測(cè)速在編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。在這里，測(cè)速時(shí)間緣于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱(chēng)周期法。在周期法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tc是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2計(jì)算出來(lái)的，即Tc=M2/f0，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為： (4-2)轉(zhuǎn)速檢測(cè)程序本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量采用頻率法。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)由LPC2124的P0.27(定時(shí)器0)口檢測(cè)，定時(shí)器1作為計(jì)時(shí)器，每間隔固定的時(shí)間段后產(chǎn)生中斷，統(tǒng)計(jì)脈沖的平均值，即脈沖的頻率，然后將脈沖頻率轉(zhuǎn)換為以RPM為單位的轉(zhuǎn)速值。轉(zhuǎn)速檢測(cè)程序是由定時(shí)器0的中斷程序和定時(shí)器1的中斷程的一部分共同完成的，定時(shí)器0采用中斷方式捕獲脈沖，將脈沖個(gè)數(shù)累加，當(dāng)定時(shí)器1產(chǎn)生中斷后，將脈沖累加值除以自己的中斷間隔時(shí)間，即可得出脈沖頻率。然后進(jìn)行標(biāo)度變換，將頻率值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值。定時(shí)器0和定時(shí)器1的中斷程序的流程圖如圖4-4和圖4-5所示。圖4-4定時(shí)器0中斷子程序流程圖圖4-5定時(shí)器1中斷子程序流程圖此外，轉(zhuǎn)向的檢測(cè)是在主程序中，通過(guò)讀取P0.23的電平值，即可做出判斷，當(dāng)P0.23為低電平，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，P0.23為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。PWM驅(qū)動(dòng)模塊PWM方案選擇1)PWM調(diào)脈寬方式采用PWM方法調(diào)整電動(dòng)機(jī)的速度，首先應(yīng)確定合理的脈沖頻率。脈沖寬度一定時(shí)，頻率對(duì)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有較大影響，脈沖頻率高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差；脈沖頻率低則反之。調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。2)PWM實(shí)現(xiàn)方式①采用定時(shí)器。采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)微秒。②采用軟件延時(shí)。采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。從提高系統(tǒng)調(diào)速精度考慮，本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器方法控制脈寬。PWM的寄存器介紹通過(guò)設(shè)置PWM的相關(guān)寄存器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM的初始化和占空比的調(diào)整，本設(shè)計(jì)中用到的LPC2124PWM發(fā)生器的寄存器主要有以下幾個(gè)[11][12]：1)PWMIRPWM中斷寄存器，可以寫(xiě)IR來(lái)清除中斷?？勺x取IR來(lái)識(shí)別哪個(gè)中斷源被掛起。2)PWMTCRPWM定時(shí)器控制寄存器，用于控制定時(shí)器計(jì)數(shù)器功能。定時(shí)器計(jì)數(shù)器可通過(guò)TCR禁止或復(fù)位。3)PWMTCPWM定時(shí)器計(jì)數(shù)器，32位TC每經(jīng)過(guò)PR+1個(gè)pclk周期加1。TC通過(guò)TCR進(jìn)行控制。4)PWMPRPWM預(yù)分頻寄存器，TC每經(jīng)過(guò)PR+1個(gè)pclk周期加1。5)PWMPCPWM預(yù)分頻計(jì)數(shù)器，每當(dāng)32位PC的值增加到等于PR中保存的值時(shí)，TC加1。6)PWMMCRPWM匹配控制寄存器，MCR用于控制在匹配時(shí)是否產(chǎn)生中斷或復(fù)位TC。7)PWMMR0-PWMMR6PWM匹配寄存器，MR可通過(guò)MCR設(shè)定為在匹配時(shí)復(fù)位TC，停止TC和PC和/或產(chǎn)生中斷。8)PWMPCRPWM控制寄存器，使能PWM輸出并選擇PWM通道類(lèi)型為單邊沿或雙邊沿控制。9)PWMLERPWM鎖存使能寄存器，使能使用新的PWM匹配值。PWM初始化子程序PWM初始化子程序流程如圖4-6所示。圖4-6PWM初始化流程具體實(shí)現(xiàn)方法與步驟：①I(mǎi)/O口設(shè)置：對(duì)P0.21的工作方式進(jìn)行設(shè)置，使之工作在定時(shí)器輸出狀態(tài)。②定時(shí)器時(shí)鐘源頻率的設(shè)定。③設(shè)置輸出波形周期。④設(shè)置PWM輸出方式。⑤設(shè)置占空比初始值。⑥設(shè)置定時(shí)器控制寄存器并啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器啟動(dòng)后可以采用示波器觀察輸出波形是否滿(mǎn)足要求。PWM脈寬控制子程序本設(shè)計(jì)中，使用PWM5引腳輸出PWM波，所以通過(guò)設(shè)置PWM5的匹配寄存器PWMMR5的值可改變輸出PWM波的占空比。1)脈寬控制子程序的功能將轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)到的脈沖頻率和用戶(hù)給定的轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換后進(jìn)行比較，通過(guò)一定的控制律，調(diào)整PWM占空比，使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到用戶(hù)所設(shè)置的轉(zhuǎn)速。2)脈寬控制結(jié)構(gòu)采用控制脈寬的方法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，其控制結(jié)構(gòu)分開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但無(wú)法保證調(diào)速精度，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速收斂慢。采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)高精度控制，轉(zhuǎn)速收斂快，但設(shè)計(jì)復(fù)雜。從控制電動(dòng)機(jī)的快速性和控制精度考慮，本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有單閉環(huán)調(diào)速和雙閉環(huán)調(diào)速兩種，單閉環(huán)是指依據(jù)速度反饋來(lái)調(diào)整控制量，采用PI調(diào)節(jié)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差；而雙閉環(huán)則是速度和電流雙反饋，一般用在對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求比較高的情況下，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用的是單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖4-7所示。圖4-7轉(zhuǎn)速閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖其機(jī)構(gòu)可分為以下部分：(1)給定部分給定部分將用戶(hù)輸入的以rpm(轉(zhuǎn)/min)為單位的輸入值進(jìn)行標(biāo)度變換后轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，然后作為電機(jī)的給定值，這一給定值并不是電機(jī)的真正的控制信號(hào)，它要和反饋信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，由偏差來(lái)決定PWM的占空比是該增大還是減少。(2)反饋比較部分反饋比較部分主要功能是將電機(jī)的實(shí)際頻率測(cè)量出來(lái)并與給定頻率進(jìn)行比較，將它們的差值傳遞給控制部分。(3)控制部分控制部分的主要功能是采用最優(yōu)控制率來(lái)改變PWM的占空比數(shù)值。當(dāng)接收到頻率差值后，首先判斷反饋頻率和給定頻率的差值，如果給定頻率差值大于反饋頻率，則將增大PWM的占空比，反之則將占空比減小。當(dāng)兩者頻率差大于控制精度范圍時(shí)采用PI調(diào)節(jié)，否則將繼續(xù)保持當(dāng)前的占空比數(shù)值。(4)輸出部分輸出部分主要將控制部分的占空比數(shù)值寫(xiě)入到PWM5的PWMMR5寄存器中，更新硬件的PWM輸出，同時(shí)還將檢測(cè)的頻率值標(biāo)度轉(zhuǎn)換為以rpm(轉(zhuǎn)/min)為單位的轉(zhuǎn)速值，傳遞給LCD顯示模塊。3)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì)在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化[12]。當(dāng)輸入時(shí)誤差函數(shù)e(t)、輸出函數(shù)是u(t)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下： (4-3)式中：Kpi為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；t為PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。式子(4-3)的時(shí)域表達(dá)式可寫(xiě)成： (4-4)其中，KP=Kpi為比例系數(shù)，KI=1/t為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為： (4-5)其中，Tsam為采樣周期。式(4-5)表述的差分方程為位置式算法，u(k)為第k拍的輸出值。由式子看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單明了。為了安全起見(jiàn)，常須對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí)行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對(duì)u限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um,當(dāng)u(k)>um時(shí)，便以限幅值um作為輸出。而位置式算法必須要同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序[17][18]框圖如圖4-8所示。圖4-8位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)流程圖液晶顯示模塊1602顯示原理1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如表3-3所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼[10]，比如大寫(xiě)的英文字母‘A’的代碼是41H，顯示時(shí)1602把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母‘A’。表4-11602字符碼表它的讀寫(xiě)操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。指令如表4-2所示。表4-21602字符模塊指令表指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清顯示0000000001光標(biāo)返回000000001?置位輸入模式00000001I/DS顯示開(kāi)/關(guān)控制0000001DCB光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L??置位顯示行、字體00001DLNF??置位字符發(fā)生存儲(chǔ)器0001字符發(fā)生存儲(chǔ)器地址(ACG)置位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址(ADD)讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址(AC)寫(xiě)數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)表中1代表高電平、0代表低電平，指令功能具體說(shuō)明如下：指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置。I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效。指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。D：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示。C：控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo)。B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位。S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令。DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線。N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示。F:低電平時(shí)顯示5×7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5×10的點(diǎn)陣字符。指令7：字符發(fā)生器RA