【正文】 ................................................... 38 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 緒論 概述 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。但是，一般數(shù)字電路的信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動步進電機工作，必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。步進電機的使用在工控、家電、航天等領(lǐng)域都有非常廣的應(yīng)用。 本課題 的研究目標(biāo)是 將 實現(xiàn)步進電機的基本功能 ，包括：正轉(zhuǎn)、反向、 加速、減速、制動等。 1) 正轉(zhuǎn)： 步進電機將以一定轉(zhuǎn)速沿逆時針轉(zhuǎn)動 。（在極限頻率以內(nèi)） 4) 減速：步進電機將以越來越慢的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。步進電機控制的數(shù)據(jù)處理運算并不多，不要求微控制器具有很高的處理速度和較大的 RAM 存儲空間。 STM32F10X 系列微控制器 簡介 STM32F10X 系列微控制器 概述 圖 21 STM32F10X 芯片 圖 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 STM32F10X 系列是由意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics)公司設(shè)計生產(chǎn)的芯片。兩個系列都內(nèi)置 32K 到128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。 ARM CortexM3 內(nèi)核 處理器使用了 ARM v7M 體系結(jié)構(gòu)，是一個可綜合的、高度可配置的處理器。 ARM CortexM3 處理器實現(xiàn)了 Thumb2 指令集架構(gòu)，具有很高的代碼密度，可降低存儲器需求，并能達(dá)到非常接近 32 位 ARM 指令集的性能。 4) 單周期 32 位乘法。 8) 處理器狀態(tài)自動保存于回復(fù)，保證低延時的 ISR 進入和退出。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 STM32F10x 系列微控制器特性 ATM32F10X 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 控制類芯片 ，以下將羅列 其部分功能特性 ： 核心 1) ARM 32 位的 Cortex?M3CPU 2) 72MHz，高達(dá) 90DMips， 3) 單周期硬件乘法和除法 ——加快計算 存儲器 1) 從 32K 字節(jié)至 128K 字節(jié)閃存程序存儲器 2) 從 6K 字節(jié)至 20K 字節(jié) SRAM 3) 多重自舉功能 時鐘、復(fù)位和供電管理 1) 至 伏供電和 I/O 管腳 2) 上電 /斷電復(fù)位 (POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器 (PVD)、掉電監(jiān)測器 3) 內(nèi)嵌 4 至 16MHz 高速晶體振蕩器 4) 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的 8MHz 的 RC 振蕩器 5) 內(nèi)嵌 40kHz 的 RC 振蕩器 6) 內(nèi)嵌 PLL 供應(yīng) CPU 時鐘 7) 內(nèi)嵌使用外部 32kHz 晶體的 RTC 振蕩器 多達(dá) 80 個快速 I/O 口 1) 26/36/51/80 個多功能雙向 5V 兼容的 I/O 口 2) 所有 I/O 口可以映像到 16 個外部中斷 STM32F10x 內(nèi)部結(jié)構(gòu) STM32F10X 的 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 下圖是 STM32F10X 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中主要部分包括： 四個主控端： 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 CortexM3 內(nèi)核指令總線，數(shù)據(jù)總線以及系統(tǒng)總線 、 DMA(通用 DMA) 四個受控端： 內(nèi)部 SRAM、 內(nèi)部 Flash 存儲器 、 AHB 到 APB 橋（ AHB2APBX）該橋用來連接有的 APB 設(shè)備 圖 23 STM32F10X 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 除了 Flash、系統(tǒng)時鐘的必須使用的模塊，其他設(shè)備在圖中標(biāo)出的部分在本文中需要使用，這些都是基于 APB2 橋設(shè)備。系統(tǒng)時江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 鐘可選擇為 PLL 輸出、 HSI 或者 HSE。 3) 直接送給 Cortex 的空閑運行時鐘 FCLK。 5) 送給 APB2 分頻器。ADC 分頻器可選擇為 8 分頻。 在需要的情況下， I/O 引腳的外設(shè)功能可以通過一個特定的操作鎖定，以避免意外的寫入 I/O 寄存器。 推挽輸出的特性： 1) 推挽輸出 可以輸出高 ,低電平 ,連接數(shù)字器件 2) 推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制 ,總是在一個三極管導(dǎo)通的時候另一個截止 .要實現(xiàn)線與需要用 OC(open collector)門電路 .是兩個參數(shù)相同的三極管或 MOSFET,以推挽方式存在于電路中 ,各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù) ,電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小 ,效率高。 STM32F103C8 增強型系列工作于 40176。下面給出了該系列產(chǎn)品中所有外設(shè)的基本介紹。 圖 31 步進電機實物圖 工作原理 步進電機 更具通過每個繞組的電流反向 可分為單極性和雙極性 。單極性步進電機還被稱為 4 相步進電機，因為它有 4 個激勵繞組。 圖 32 單極性步進電機原理圖 單極性步進電機的步進方式 單極性步進電機可以來用三種步進方式：單拍、雙拍、半拍方式。 3) 半拍： A – AB – B – BC – C – CD – D – DA 它工作時的則讓兩個繞組通電與單個繞組通電方式交替的進行。它又被稱為單繞組步進電機，因為每極只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進電機，因為具有兩個分離的線圈。由于雙極性步進電機比單極性步進電機的輸出力矩大，因此總是應(yīng)用于空間有限的設(shè)計中。雙極性步進電機的步距通常是 176。 灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。 ULN2020 達(dá)林頓陣列驅(qū)動芯片實物圖如下 （ 型號： ULN2020APG） ： 圖 35 ULN2020 實物圖 工作原理 ULN2020 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個硅 NPN 達(dá)林頓管組成 芯片 。 按鍵 開關(guān) 由于接觸電阻小、按動有清脆的手感手感明顯、高度規(guī)格齊全等方面的原因，在家用電器方面得到廣泛的應(yīng)用如：影音產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品、遙控器、通訊產(chǎn)品、家用電器、安防產(chǎn)品、玩具、電腦產(chǎn)品、健身器材、醫(yī)療器材、驗鈔筆、雷射筆按鍵等等。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個 PN 結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。 本章 主要介紹 硬件 系統(tǒng)設(shè)計 部分 ， 硬件 系統(tǒng)設(shè)計 是系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)運行實現(xiàn)的平臺。 本課題 充分應(yīng)用了 STM32F103C8 處理器的時鐘、 SYSTICK定時器 、中斷口 等功能。 脈沖序列 和 脈沖的頻率通過軟件來設(shè)定。 ULN2020 是 高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強等特點適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 如下 圖 43 電流驅(qū)動模塊 電路連接圖 所示： ULN2020 達(dá)林頓芯片 中 IN ININ IN6 作為 脈沖信號 輸入端口 ， 信號來源于 脈沖發(fā)生模塊 的脈沖輸出，即 處理器 GPIOA 的四個端口 GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2，GPIOA_Pin_3 輸出的相應(yīng)電平輸出。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個 脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。單極性步進電機還被 稱為 4 相步進電機，因為它有 4 個激勵繞組。 單極性步進電機可以來用三種步進方式：單拍、雙拍、半拍方式。 其控制信號將有 STM32F103C8 處理器 GPIOA 的四個端口GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2， GPIOA_Pin_3 控制輸出。 如下圖 44 步進電機電路圖 ， 圖 中 A B C D1 為步進電機的 四相 繞組直接接口， 這些接口的電流將直接通過 步進電機各相 繞組，驅(qū)動步進電機工作。 15％的變動時，仍應(yīng)能保持輸出電流在177。 LED 為共陽極接入電路 ，如果想點亮任何一盞 LED燈只需給相應(yīng)的端口低電平 ，也即在控制 LED 亮滅時只需控制相應(yīng)接入 處理器接口的電平輸出即可。單片機可以采用查詢或中斷方式了解有無鍵輸入并檢查哪一個鍵被按下，并通過轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完又返回到原始狀態(tài) 。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 46 按鍵電路圖 如上圖 46 按鍵電路圖 所示， 圖中有 8 路 獨立的按鍵， 每個按鍵可以與單獨的端口連接 ，如下圖 45 LED 電路圖 中有 8 路獨立的按鍵，每一個 按鍵 接在獨立的端口上，可以獨立的工作。 系統(tǒng)功能模塊動作說明 在整個系統(tǒng)設(shè)計中，不同的模塊演繹著各色不同的功能， 通過設(shè)計的關(guān)聯(lián)，不同的動作，不同的模塊將產(chǎn)生不同的信息、效果。 2) 正反轉(zhuǎn)切換按鍵按下時，若步進電機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài) ，處理器接收到反轉(zhuǎn)信號，運行反轉(zhuǎn)程序 ， 步進電機反轉(zhuǎn)， 指示反轉(zhuǎn)的 LED 根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速閃爍，指示正轉(zhuǎn)的 LED 熄滅 ；若步進電機處于 反 轉(zhuǎn)狀態(tài)，處理器接收到正 轉(zhuǎn)信號，運行 正 轉(zhuǎn)程序， 步進電機正轉(zhuǎn)， 指示 正 轉(zhuǎn)的 LED 根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速閃爍，指示 反 轉(zhuǎn)的 LED 熄滅 。 5) 無按鍵按下時，處理器不改變運行的程序，運行效果將不改變，知道有功能選擇按下。適當(dāng)使各項功能模塊化。 該函數(shù)庫是一個固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。每個外設(shè)驅(qū)動都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設(shè)所有功能。 該 固件庫用戶手冊的整體架構(gòu)如下： ? 定義，文檔約定和固態(tài)函數(shù)庫規(guī)則。 系統(tǒng)軟件設(shè)計環(huán)境 STM32 微處理器基于 ARM 核，所以很多基于 ARM 嵌入式開發(fā)環(huán)境都可用于 STM32 開發(fā)平臺。 電機停止 鍵 5 返回 電機減速 鍵 4 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 Keil MDK 簡介 Keil是德國知名軟件公司 Keil（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前 ARM內(nèi)核單片機開發(fā)的主流工具。 使用 Keil 來開發(fā)嵌入式軟件，開發(fā)周期和其他的平臺軟件開發(fā)周期是差不多的，大致有以下幾個步驟： 1. 創(chuàng)建一個工程，選擇一塊目標(biāo)芯片，并且做一些必要的工程配置。 5. 聯(lián)機調(diào)試。 uVision4 具有如下特性： ? 功能齊全的源代碼編輯器 ? 用于配置開發(fā)工具的設(shè)備庫 ? 用于創(chuàng)建工程和維護工程的項目管理器 ? 所有的工具配置都采用對話框進行 ? 集成了源碼級的仿真調(diào)試器，包括高速 CPU 和外設(shè)模擬器 ? 用于往 Flash ROM 下載應(yīng)用程序的 Flash 編程工具 ? 完備的開發(fā)工具幫助文檔，設(shè)備數(shù)據(jù)表 和用戶使用向?qū)? 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 如下圖 53 所示 為 uVision4 IDE 集成開發(fā)環(huán)境 ： 圖 53 uVision4 IDE 集成開發(fā)環(huán)境 工程設(shè)置 工程建立好了之后，還要對工程進行進一步的設(shè)置，以滿足要求。Target 139。 圖 54 工程設(shè)置對話框 此外 如果 需要調(diào)試則需要對 Debug 頁進行設(shè)置， uVision4 IDE 支持在線 仿真 調(diào)試和 ULINK 在線調(diào)試 。本課題將使用 使用苦函數(shù)來完成系統(tǒng)時鐘的初始化。 4) 設(shè)置 RCC_CR 啟動 PLL，并確認(rèn) PLL 工作正常。所有的異常處理均在 Handle 模式下進行。 CortexM3 處理器的一下特性，提高了處理異常的效率并降低了時間的延遲 1) 異常的種類 CortexM3 處理器將復(fù)位、不可屏蔽中斷、外部中斷、故障都統(tǒng)一為異常，異常有多種類型。位置是指中斷向量在中斷向量表中的位置，是相對于中斷限量表開始處字的偏移。 優(yōu)先級 NVIC 支持通過軟件設(shè)置的優(yōu)先級。 3) 其他 SysTick 管理 詳見 外部中斷 /時間控制器（ EXTI）管理詳見 延時模塊 延時模塊的功能 延時模塊 作用是使得 處理器經(jīng)過指定的延時后在運行 相應(yīng)的 指令， 延時模板一般用于器件時序的響應(yīng) （ 一些器件由于工作頻率遠(yuǎn)比 CPU 的頻率低 ，短時間的電平狀態(tài)不能使得器件響應(yīng) ，故而 使用延時保持電平的狀態(tài) ） ；還可以 產(chǎn)生一定頻率的脈沖 序列 。硬件延時有著自己的計時系統(tǒng)，不會占用 CPU，只有到達(dá)了設(shè)定的時間間隔 CPU 才會響應(yīng)中斷，處理中斷過程序。 SysTick 定時器 SysTick 定時器被捆綁在 NVIC 中，用于產(chǎn)生 SYSTICK 異常（異常號： 15）。 ARM CortexM3 的內(nèi)核中包含一個 SysTick 時鐘。 SysTick 寄存器 STM32F10X 中的 Systick， Systick 部分內(nèi)容屬于 NVIC 控制部分，一共有 4個寄存器 ，如下表 所示：