【文章內容簡介】 ....................................................................................................................................... 49 致謝 ............................................................................................................................................ 50 參考文獻 .................................................................................................................................... 51 1 1 緒 論 課題引入 ARM(Advanced RISC Machines)， 既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。 1990 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。 該公司的產品“ ARM 嵌入式內核”已被全球各大芯片廠商采用，基于 ARM 的開發(fā)技術也席卷了全球嵌入式市場，已成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術之一。 基于 ARM 技術的微處理器應用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場份額， ARM 技術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體公司都使用 ARM 公司的授權，因此既使得 ARM 技術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，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。 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入 各個領域： 1) 工業(yè)控制領域 由于 ARM 在網(wǎng)絡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) 通信產品 一般的 ARM SoC 都支持嵌入式操作系統(tǒng)。 ARM 在通信產品上已經(jīng)有了完整的解決方案，如網(wǎng)絡電話 (VoIP)、 ADSL Router 和 IP Router 等 。 3) 無線通訊領域 目前已有超過 85%的無線通訊設備采用了 ARM 技術， ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。 4) 安全控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡攝影機、 4/16 壓縮處理機、數(shù)碼錄放機等安全自動化，也已逐漸采用 ARM 的核心技術。 5) 消費類電子產品 ARM 技術在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。 除此以外， ARM 微處理器及技術還應用到許多不同的領域，并會在將來取得更加廣泛的應用。 所以掌握和應用該系列單片機，對于學習高性能單片機系統(tǒng)設計，嵌入式系統(tǒng)，生產過程參數(shù)處理，工業(yè)自 動化處理具有重要意義。 2 本課題研究背景和意義 在工業(yè)自動控制系統(tǒng)和各種智能產品中常常會用用電動機進行驅動、傳動和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對電機的控制要求越來越精確和迅速，對環(huán)境的適應要求越來越高。隨著科技的發(fā)展，通過對電機的改造，出現(xiàn)了一些針對各種應用要求的電機，如伺服電機、步進電機、開關磁阻電機等非傳統(tǒng)電機。但是在一些對位置控制要求不高的電機控制系統(tǒng)如傳動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機如直流電機乃有很大的優(yōu)勢，而要對其進行精確而又迅速的控制，就需要復雜的控制系統(tǒng)。隨著微電子和計算機的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)應用越來越 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，功能復雜，系統(tǒng)修改簡單，有很好的人機交換界面等特點 [2]。 自動化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應用和發(fā)展，其中自動調速系統(tǒng)的應用則起著尤為重要的作用。雖然直流電機不如交流電機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、容易維護，但是它具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛的范 圍內平滑調速，所以直流調速系統(tǒng)至今仍是自動調速系統(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 流調速系統(tǒng) [3]。而且，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術的角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。 近年來，微型計算機技術發(fā)展速度飛快，以計算機為主導的信息技術作為一嶄新的生產力，正向社會的各個領域滲透，直流調速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為一大趨勢。 本課題的主要任務及工作 通過設計一個基于 ARM 的嵌入式 直流電機 轉速監(jiān)控系統(tǒng)，掌握 ARM7TDMI 內核的工作原理及 ARM 在工業(yè)控制領域的應用流程 ，熟悉 ARM 芯片 上的各種硬件資源及其所具備的各種功能，并能將其運用到實際的開發(fā)項目中，為以后進一步開發(fā)各種基 于 ARM的嵌入式系統(tǒng)打下良好的基礎。 要求所 設計的轉速監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的精度和可用性，能 夠達到 一般的 工業(yè)控制標準，滿足實際生產的 要求。 嵌入式系統(tǒng) 概述 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)和其上運行的應用軟件構成，軟件和硬件之間由中間層連接。 3 嵌入系統(tǒng)的定義、特點 1) 嵌入式系統(tǒng) 定義 根據(jù) IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)的定義， 嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機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，可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內普遍認同的定義是 ： 以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) [4]。 由于嵌入式系統(tǒng)本身是一個 外延極廣的名詞，凡是與產品結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?？傮w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)和其上運行的應用軟件構成，軟件和硬件之間由所謂的中間 (BSP 層，板級支持包 )層連接。 2) 嵌入式系統(tǒng)具有以下特點 ： ① 嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的 。 ② 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導 體技術和電子技術以及各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物 。 ③ 系統(tǒng)內核小 (uC/OS II 內核源碼只有 5500 行 )。 ④ 專用性強 。 ⑤ 系統(tǒng)精簡 。 ⑥ 交叉平臺開發(fā) (crossplatform development)。 ⑦ 嵌 入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng) 。 ⑧ 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境 。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展狀況 嵌入式系統(tǒng)最初的應用是基于單片機的。 20 世紀 70 年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器人、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內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應用特點，但是這時的應用只是 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 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)”編寫嵌入式應用軟件，這使得開發(fā)人員可以進一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效 4 率。 20 世紀 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，實時內核的實時多任務操作系統(tǒng) (RTOS)，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 以及國內的 Hopen、 DeltaOS 等嵌入式操作系統(tǒng)。 目前，由于集成電路技術的迅速發(fā)展，半導體工藝己使單片集成度達到千萬門，設計復雜度達到系統(tǒng)級， SOC(System On Chip)芯片的設計和制造己成為 IC 產業(yè)發(fā)展的主流及必然趨勢。性能價格比遠高于單片機的 32 位嵌入式系統(tǒng)處理器正逐步取代單片機的市場。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也進入到了一個“系統(tǒng)”開發(fā)的階段，在這個階段的開發(fā)模式己經(jīng)不是單片機時代的開發(fā)方式所能夠適應的。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)展涉及到計算機學科的各個方面，主要關注的應用領域是消費電子、 3G 領域、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡等，主要的技術熱點包括嵌入式操作系統(tǒng)、系統(tǒng)芯片設計、應用軟件開發(fā)和嵌入式內容服務 [5]。 嵌入系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 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)展尤其應該引起重視 ： 系統(tǒng)結構趨于復雜 ； 網(wǎng)絡互聯(lián)成為必然趨勢 ； 應用時精簡系統(tǒng)內核 、 算法，降低功耗和軟硬件成本 ； 系統(tǒng)提供友好的人機界面 。 所以，通過對嵌入式系統(tǒng)的基本概念和應用以 及發(fā)展趨勢的了解，可以看到，嵌入式系統(tǒng)的研究是計算機學科綜合各項理論和技術的集大成者。 5 2 系統(tǒng)的總體 方案 設計 本系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)，在功能上是獨立的，在沒有上位機控制的情況下能獨立地完成 對 電動機 的監(jiān)控 。系統(tǒng)的軟件代碼采用模塊化設計，使其便于測試、修改，同時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 本文旨在設計一種嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，使得機器設備能夠通過該系統(tǒng)與人之間進行數(shù)據(jù)通信的目的 。 基于 以上目標， 本設計實現(xiàn)的系統(tǒng)應當具備以下功能 ： ① 可通過鍵盤設置和控制電 動 機 的 轉速和轉向。 ② 在一定時間內 驅動電動機到達設置的轉速 和轉向 。 ③ 采取一定策略實現(xiàn)電動機 安全運轉 。 ④ 可即時顯示轉速值。 系統(tǒng) 原理結構 根據(jù)本系統(tǒng)的設計目標，本系統(tǒng)的原理結構框圖如圖 21 所示 。 圖 21 系統(tǒng)的原理結構框圖 如圖 21 所示 ， 本系統(tǒng)的主要功能模塊有： 轉速 檢測 模塊 、 光電轉換、 單片機 、 PWM電 機驅動 模塊 、 顯示 模塊 、鍵盤 模塊 。 轉速 傳感器 和光電轉換 將 電機轉速 轉化為可以測 6 量的電信號。 PWM 電動機驅動用來將計算機信號轉換為電動機驅動信號， 鍵盤和顯示器是本系統(tǒng)的人機接口。 技術方案可行性研究 1) 電機調速控制模塊 電機驅動調 速方案的控制目標是實現(xiàn)電動機的調速 及正、反轉 。 ① 采用 電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整分壓 。 采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器 調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)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]。 ② 采用繼電器 開關控制 。 采用繼電器 對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。 ③ 采用 H 型 PWM 電路 。 采用由 電子開關 組成的 H 型 PWM 電路 用單片機控制 電子開關 使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。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)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調速技術。 兼于方案三調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大， 且能 實現(xiàn)轉速和方向的控制 ， 因此本設計采用 第三個 方案。 2) 檢速模塊 ① 磁感應式 。 采用霍爾元器件 (霍爾元器件應用霍爾效應，輸出量與磁場的大小有關 )并在 電動機轉軸 上安裝磁片， 利用位置固定的開關型霍爾元器件來檢測車輪的轉動，通過單位時間內的脈沖數(shù)進行 轉 速測量。 ② 光反射式 。 采用反射式紅外器件。在 電動機 輪輻面板上均勻畫出黑底白線或白底黑線，通過正對線條的反射式紅外器件，產生脈沖。通過對脈沖的計數(shù)測速。 ③ 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。從而輪子轉動時可以產生連續(xù)脈沖信號，通過對脈沖的計數(shù)進行車速測量。 由于方案三產生的脈沖信號不論在質量上還是數(shù)量上都優(yōu)于前兩種，符合 本設計要求 ， 因此選擇 了 第 三 個方案 。 3) 供電電源選擇 ① 單電源供電 。 優(yōu)點是供電電路簡單；缺點是由于電機的特性，電壓波動較大，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電。 7 ② 雙電源供電 。 將電機驅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。