【文章內(nèi)容簡介】 功能實現(xiàn)。這將在沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 下一節(jié)做進一步介紹。 TIMx 定時器介紹 STM32F10x系列處理器內(nèi)部有 8個定時器，其中 TIM1和 TIM8為高級控制定時器，TIM TIM TIM4和 TIM5為 4個獨立的通用定時器， TIM6和 TIM7為基本定時器。這 8個定時器各包含一個 16位自動裝載計數(shù)器，由各自的可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。其中基本定時器可以為通用定時器提供時間基準(zhǔn)，特別地可以為數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)提供時鐘，實際上，它們在芯片內(nèi)部直接連接到 DAC并通過觸發(fā)輸出直接驅(qū)動 DAC。 通用定時器 TIMx，它適用于多種場合，包括測量輸入信號的脈沖長度 (輸入捕獲 )或者產(chǎn)生輸出波形 (輸出比較和 PWM)。通過對定時器預(yù)分頻器和 RCC時鐘控制器預(yù)分頻器的編程，可將脈沖長度和波形周期在幾個微秒到幾個毫秒間進行調(diào)整。每個定時器都是完全獨立的，沒有互相共享任何資源，它 們也可以一起同步操作。 STM32F103主控芯片的 8個定時器中，高級控制定時器 TIM1和 TIM8及 4個 通用定時器均可生成 PWM波。高級控制定時器與通用定時器相比較，它們有非常多的相似之處，雖然前者功能要強大些，但鑒于后者 已能夠滿足設(shè)計要求，因此選用通用定時器作為PWM生成模塊。下面簡要介紹通用定時器的特性及功能。 通用定時器 TIMx (TIM TIM TIM4和 TIM5)主要特性如下 [6]： 1. 16位向上、向下、向上 /向下自動裝載計數(shù)器。 2. 16位可編程 (可以實時修改 )預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率 的分頻系數(shù)為 1～ 65536之間的任意數(shù)值。 3. 4個獨立通道：輸入捕獲、輸出比較、 PWM生成 (邊緣或中間對齊模式 )、 單脈沖模式輸出。 4. 使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路。 5. 如下事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷 /DMA：更新；計數(shù)器向上溢出 /向下溢出；計數(shù)器初始化 (通過軟件或者內(nèi)部 /外部 觸發(fā) )； 觸發(fā)事件 (計數(shù)器啟動、停止、初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計數(shù) )； 輸入捕獲；輸出比較。 6. 支持針對定位的增量 (正交 )編碼器和霍爾傳感器電路。 7. 觸發(fā)輸入作為外部時鐘或者按周期的電流管理。 對通用定時器 TIMx 功能簡要描述如下 [7]： 時基單元可編程通用定時器的主要部分是一個 16 位計數(shù)器和與其相關(guān)的自動裝載沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 寄存器。這個計數(shù)器可以向上計數(shù) 、向下計數(shù)或者向上向下雙向計數(shù)。此計數(shù)器時鐘由預(yù)分頻器分頻得到。時基單元包含計數(shù)器寄存器 (TIMx_CNT)、預(yù)分頻器寄存器 (TIMx_PSC)和自動裝載寄存器 (TIMx_ARR)，它們都可以由軟件讀寫，在計數(shù)器運行時仍可以讀寫。預(yù)分頻寄存器用于設(shè)定計數(shù)器的時鐘頻率；自動裝載寄存器的內(nèi)容是預(yù)先裝載的，其內(nèi)容被永久的保存在影子寄存器，或每次更新事件 UEA 發(fā)生時傳送到影子 寄存器；當(dāng)計數(shù)器達到溢出條件且當(dāng) TIMx_CR1 寄存器中的 UDIS 位為 0 時，產(chǎn)生更新事件。更新事件也可由軟件產(chǎn)生。 定時器工作模式有計數(shù)器模式、輸入捕獲模式、 PWM 輸入模式、強制輸出模式、PWM 模 式等，根據(jù)設(shè)計要求，定時器應(yīng)配置成 PWM 模式生成不同占空比的 PWM 波。以下對 PWM 模式做簡要介紹。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）模式可以產(chǎn)生一個由 TIMx_ARR 寄存器確定頻率、由TIMx_CCRx 寄存器確定占空比的信號。在 TIMx_CCMRx 寄存器中的 OCxM 位寫入“ 110” (PWM 模式 1)或 “ 111” (PWM 模式 2)，能夠獨立地設(shè)置每個 OCx 輸出通道產(chǎn)生一路 PWM。使用 PWM 模式，必須通過設(shè)置 TIMx_CCMRx 寄存器的 OCxPE 位使能相應(yīng)的預(yù)裝載寄存器，最后還要設(shè)置 TIMx_CR1 寄存器的 ARPE 位， (在向上計數(shù)或中心對稱模式中 )使能自動重裝載的預(yù)裝載寄存器。因為僅當(dāng)發(fā)生一個更新事件的時候，預(yù)裝載寄存器才能被傳送到影子寄存器，因此在計數(shù)器開始計數(shù)之前，必須通過設(shè)置TIMx_EGR 寄存器中的 UG 位來初始化所有的寄存器。 OCx 的極性可以通過軟件在TIMx_CCER 寄存器中的 CCxP 位設(shè)置，它可以設(shè)置為高電平有效或低電平有 效。 OCx的輸出使能通過 (TIMx_CCER 和 TIMx_BDTR 寄存器中 )CCxE、 CCxNE、 MOE、 OSSI和 OSSR 位的組合控制。在 PWM 模式 (模式 1 或模式 2)下， TIMx_CNT 和 TIMx_CCRx始終在進行比較，依據(jù)計數(shù)器的計數(shù)方向以確定是否符合 TIMx_CCRx≤ TIMx_CNT 或者 TIMx_CNT≤ TIMx_CCRx。 根據(jù) TIMx_CR1 寄存器中 CMS 位的狀態(tài)，定時器能夠產(chǎn)生邊沿對齊的 PWM 信號或中央對齊的 PWM 信號 [8]。 PWM 輸出信號的占空比由 TIMx_CRRx 寄存器確定的。其公式為“ 占空比=(TIMx_CRRx/TIMx_ARR)*100%”，因此，可以通過向 CRR 中填入適當(dāng)?shù)臄?shù)來輸出自己所需的頻率和占空比的方波信號，進而實現(xiàn)本設(shè)計中調(diào)速功能。 電機驅(qū)動電路介紹 電機驅(qū)動電路采用 L298 芯片控制，其內(nèi)部原理圖如圖 。 L298 是恒壓恒流雙 H沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 橋集成電機芯片，可同時控制兩個電機，且輸出電流可到 2A。直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是 H 型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。 圖 L298內(nèi)部原理圖 全 橋式驅(qū)動電路的 4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，如圖 所示， S S2 為一組，S S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng) S S2 導(dǎo)通時，S S4 關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng) S S4 導(dǎo)通時， S S2 關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。 在小車動作的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在 S S2 導(dǎo)通且 S S4 關(guān)斷，到 S S2 關(guān)斷且 S S4 導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制 信號完全互補，但是，由于實際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。這個過程可用圖 說明。 圖 上下橋臂導(dǎo)通圖 S2 S3 S4 S1 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 因此，為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可以通過軟件實現(xiàn)。 對于 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電機調(diào)速， 非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。若 S S4 關(guān)斷， S S2 受 PWM控制，假設(shè)高電平導(dǎo)通，忽略開關(guān)管損耗，則在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為 t，周期為 T，則電機兩端的平均電壓為： U=Vcc*t/ T=α *Vcc ，其中 α =t/T 稱為占空比， Vcc 為電源電壓（電源電壓減去兩個開關(guān)管的飽和壓降）。 PWM 的占空比 α 決定輸出到直流電機電樞電壓的平均電壓，進而決定了直流電機的轉(zhuǎn)速。 L298 的 EN A（第 6 引腳）、 EN B（第 11 引腳）分別與兩路 PWM 波輸出端相連，控制電機是否轉(zhuǎn)動。 IN1IN4 兩對 I/O 輸入，控制電機轉(zhuǎn)動方向。 SENSE A、 SENSE B為電流反饋引腳。 Vss 電壓最小為 ，最大可達 36V； Vs 電壓最大值也是 36V。但經(jīng)過實驗， Vs 電壓應(yīng)該比 Vss 電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 3 小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 在整個智能小車系統(tǒng)的總體設(shè)計之中，控制系統(tǒng)是最重要的，它是整個系統(tǒng)的靈魂?？刂葡到y(tǒng)的先進與否，直接關(guān)系到整個機器人系統(tǒng)智能化水平的高低。機器人的功能都在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)前提下實現(xiàn)，控制系統(tǒng)設(shè)計的策略也決定了整個機器人系統(tǒng)的功能特點及其可擴展性。本文設(shè)計的智能小車控制系統(tǒng)，具 備了邊界墻檢測、自主定位、提升電機自動開啟等一系列功能。 系統(tǒng)功能實現(xiàn)及需求分析 本設(shè)計采用 STM32F103 芯片作為控制器來實現(xiàn)對小車電機、傳感器探測等外設(shè)的控制是一個合理的解決方案。 STM32F103 具有豐富的外設(shè)接口、實時性強等優(yōu)點，采用模塊化設(shè)計，滿足實際需要及擴展；利用傳感器檢測外界信息，實現(xiàn)小車簡單的避障和識別功能?；谠O(shè)計功能需求，本設(shè)計采用的是低電平觸發(fā)的按鍵開關(guān)式 鍵盤，這樣可以合理地利用硬件資源，操作簡便，并且編程靈活。 本論文設(shè)計的小車控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 電機控制系統(tǒng)框圖 由系統(tǒng)框圖可看出，小車整個控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括電機驅(qū)動、觸角傳感電路、紅外收發(fā)檢測電路等模塊。整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計原理圖見附錄，下面分別介紹各部分模塊的設(shè)計。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 主要電路設(shè)計 小車結(jié)構(gòu)及功能簡介 所謂小車控制實際上就是電機控制，本論文所設(shè)計的小車分為電機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、識別系統(tǒng)三大結(jié)構(gòu)。 電機系統(tǒng)使用兩個電機（ A 和 B） ， 設(shè)定正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)，分別控制左輪和右輪，通過兩個電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)切換控制小車的行駛方向，例如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車的基本運動功能； 通過對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制小車的運動速度。根據(jù)實際情況，假設(shè)兩個電機相對安裝，則表 是電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)與小車運動方向的關(guān)系表 。 表 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)與小車運動方向關(guān)系表 運動狀態(tài) 電機 A（右輪） 電機 B（左輪） 前進 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 停止 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 停止 小車電機系統(tǒng)，即通過 PID 算法，對電機進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)小車的直線行駛，使小車按指定的路線行駛。 小車的控制系統(tǒng)，即在 STM32 芯片的控制下實現(xiàn)自由行走、自動識別及自動開啟識別裝置等功能。 小車識別系統(tǒng)，即在自由行走模 式下通過距離傳感器對障礙物檢測，使小車實現(xiàn)在邊界處自動停止。 STM32F103 及 外圍電路設(shè)計 本設(shè)計采用 STM32F103 為主控芯片，則 STM32F103 芯片的最小系統(tǒng)設(shè)計和 啟動模式選擇電路 如圖 、 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 STM32F103芯片最小系統(tǒng)圖 圖 啟動模式選擇電路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 如圖 、 ，此部分電路包括系統(tǒng)時鐘電路、實時時鐘電路、 JTAG 調(diào)試接口電路、復(fù)位電路和啟動模式選擇電路。下面對部分電路設(shè)計做簡要說明。 1． 時鐘電路 系統(tǒng)時鐘電路選用 8MHZ 的 HSE 晶體作為 振蕩器晶振 。如圖 所示，由 R11Y100（ HSE 晶振）、 C108 及 C109 構(gòu)成系統(tǒng)時鐘電路。 HSE 晶體可以通過設(shè)置時鐘控制寄存器里 RCC_CR 中的 HSEON 位被啟動和關(guān)閉。實時時鐘電路 選擇 LSE 時鐘模式，如圖 所示，由 Y101（ LSE 晶振）、 C112 及 C113 構(gòu)成 LSE 旁路，提供一個 頻率的外部時鐘源。 LSE 晶體是一個 的低速外部晶體或陶瓷諧振器。它為實時時鐘或者其他定時功能提供一個低功耗且精確的時鐘源。 2． 啟動模式選擇電路 如圖 所示，通過 BOOT[1:0]引腳可以選擇三種不同啟動模式。如下表 所示。 表 啟動模式 啟動模式選擇引腳 啟動模式 說明 BOOT1 BOOT0 X 0 主閃存存儲器 主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域 0 1 系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域 1 1 內(nèi)置 SRAM 內(nèi)置 SRAM被選為啟動區(qū)域 在系統(tǒng)復(fù)位后， SYSCLK 的第 4 個上升沿， BOOT 引腳的值將被鎖存。此時可以通過設(shè)置 BOOT1 和 BOOT0 引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動模式。 電源電路設(shè)計 由于各電路模塊所需電壓不同，本設(shè)計需多種電源 供電。 STM32F103 主控芯片采用 供電，電機驅(qū)動采用 5V與 ，紅外收發(fā)檢測電路采用 5V 與 ，液晶顯示與觸角傳感電路均采用 供電。外部電源采用 的直流電壓，因此根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計進行了電源轉(zhuǎn)換設(shè)計。 由上可以知道，系統(tǒng)需要 、 5V、 ，其中 可以由電池直接供電， 6V和 5V 就需要穩(wěn)壓芯片來供電了，如果把所有接到 5V 的電源都從一個口輸出，萬一出現(xiàn)異常狀況（例如大電流），單片機必然重啟，因此需要多個穩(wěn)壓芯片同時工作，以保沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 證單片機正常工作。 圖 電源模 塊電路圖 5V 穩(wěn)壓電路的設(shè)計：市場上 5V的穩(wěn)壓芯片有很多，例如 LM29 LM780開關(guān)型 LM257 LM2596，其中 2940 和 7805 轉(zhuǎn)換效率比較低，只有 40%左右，但是輸出紋波很小，對于單片機這種對電源要求比較高的元件而言很適合，而 2575 和 2596 是開關(guān)型的穩(wěn)壓芯片，