【文章內(nèi)容簡介】 IE1 IT1 IE0 IT0 定時器 T2 每位的含義如下 表 43： 表 43 定時器 T2 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 2 CP/RL2 工作方式 0 和工作方式 1 的最大特點就是計數(shù)溢出后，計數(shù)器為全 0，因而循環(huán)定時或循環(huán)計數(shù)應用時就存在反復設置初值的問題，這給程序設計帶來許多不便，同時也會影響計時精度，工作方式 2 就針對這個問題而設置，它具有自動重裝載功能，即自動加載計數(shù)初值，所以也有的文獻稱之為自動重加載工作方式。在這種工作方式中， 16 位計數(shù)器分為兩部分，即以 TL0 為計數(shù)器，以 TH0 作為預置寄存器，初始化時把計數(shù)初值分別加載至 TL0 和 TH0 中， 當計數(shù)溢出時，第 9 頁 共 46 頁 不再象方式 0 和方式 1 那樣需要 ―人工干預 ‖，由軟件重新賦值，而是由預置寄存器 TH 以硬件方法自動給計數(shù)器 TL0 重新加載。 程序初始化時，給 TL0 和 TH0 同時賦以初值，當 TL0 計數(shù)溢出時，置位TF0 的同時把預置寄存器 TH0 中的初值加載給 TL0， TL0 重新計數(shù)。如此反復，這樣省去了程序不斷需給計數(shù)器賦值的麻煩，而且計數(shù)準確度也提高了。但這種方式也有其不利的一面，就是這樣一來的計數(shù)結構只有 8 位，計數(shù)值有限，最大只能到 255。所以這種工作方式很適合于那些重復計數(shù)的應用場合。例如我們可以通過這樣的計數(shù)方式產(chǎn) 生中斷，從而產(chǎn)生一個固定頻率的脈沖。也可以當作串行數(shù)據(jù)通信的波特率發(fā)送器使用。 當 M1M0=11 時，定時 /計數(shù)器處于工作方式 3，值得注意的是，在工作方式3 模式下，定時 /計數(shù)器 1 的工作方式與之不同，下面我們分別討論。在工作方式3 模式下，定時 /計數(shù)器 0 被拆成兩個獨立的 8 位計數(shù)器 TL0 和 TH0。其中 TL0既可以作計數(shù)器使用，也可以作為定時器使用，定時 /計數(shù)器 0 的各控制位和引腳信號全歸它使用。其功能和操作與方式 0 或方式 1 完全相同。 TH0 就沒有那么多 ―資源 ‖可利用了，只能作為簡單的定時器使用，而且由于定時 /計數(shù)器 0 的 控制位已被 TL0 占用，因此只能借用定時 /計數(shù)器 1 的控制位 TR1 和 TF1，也就是以計數(shù)溢出去置位 TF1， TR1 則負責控制 TH0 定時的啟動和停止。等效電路由于 TL0 既能作定時器也能作計數(shù)器使用，而 TH0 只能作定時器使用而不能作計數(shù)器使用，因此在方式 3 模式下，定時 /計數(shù)器 0 可以構成二個定時器或者一個定時器和一個計數(shù)器。 如果定時 /計數(shù)器 0 工作于工作方式 3，那么定時 /計數(shù)器 1 的工作方式就不可避免受到一定的限制，因為自己的一些控制位已被定時 /計數(shù)器借用，只能工作在方式 0、方式 1 或方式 2 下在這種情況下，定時 /計數(shù)器 1 通 常作為串行口的波特率發(fā)生器使用，以確定串行通信的速率，因為已沒有 TF1 被定時 /計數(shù)器 0借用了，只能把計數(shù)溢出直接送給串行口。當作波特率發(fā)生器使用時，只需設置好工作方式，即可自動運行。如要停止它的工作，需送入一個把它設置為方式 3的方式控制字即可，這是因為定時 /計數(shù)器本身就不能工作在方式 3，如硬把它設置為方式 3，自然會停止工作 [4]。 8254 可編程定時計數(shù)器 8254 芯片作為脈沖分配器的優(yōu)點分析 本設計中要求輸出脈沖的頻率范圍為 1Hz～ 2KHz，單步為 1Hz。由于 89C52時鐘最大能 取 24MHz，單指令周期為 0． 5μs，計數(shù)頻率為 2106Hz。當輸出 1999Hz 和2021Hz時，若采用 89C51內(nèi)部計數(shù)器來計數(shù)，根本無法區(qū)別，而且不好通過外部按鍵進行設置。因為計數(shù)頻率為 2MHz，單指令周期 0． 5μs，而要輸出 1999Hz 時，第 10 頁 共 46 頁 計數(shù)應為 1000． 500；輸出 2021Hz時，計數(shù)應為 1000． 000。因此在本設計中，采用外部定時器／計數(shù)器 8254。 8254是 8253的改進型，操作方式及引腳與 8253完全相同。它的改進主要反映在兩方面： 1) 8254的計數(shù)頻率更高，可由直流至 6MHz； 2) 8254多了 1個讀回命令（寫至控制器的寄存器），因為 8254最高計數(shù)頻率可達 6MHz，能滿足以上設計的要求，另外采用 8254的工作方式 3可輸出方波。當8254以方式 3工作時，在計數(shù)的過程中 要 輸出有一半時間為時可輸出高電平，后N／ 2時可輸出低電平，不需要用軟件來控制高低電平的轉換。 8254的 連 接可以把定時器 0和定時器 1的門控信號連在一起，并接到 5V電源上。定時器 0的輸入脈沖線 CLK0接 6M的晶振，定時器 0的輸出 OUT0作為定時器 1的脈沖輸入。兩定時器均設為工作方式 3，因為 8254的計數(shù)器是 16位，即 計數(shù)范圍為 0～ 65535，在輸入時鐘為 6M時，要輸出 1Hz的脈沖，則其計算值也為 6M，大于其最大的計算值，因此本設計最終輸出的脈沖由兩個定時器的兩次分頻所得。采用頻率分段輸出，即當要求輸出的頻率為 1～ 100Hz 時，定時器 0的計數(shù)值設為 100，則定時器 1的計數(shù)頻率為 6104Hz，最大計數(shù)為 6104，最小計數(shù)為600，符合要求；當輸出頻率為 101～ 2kHz時，定時器 0的計數(shù)值設為 1，則定時器 1的計數(shù)頻率為 6M，最大計數(shù)為 59406，最小計數(shù)為 3000，滿足 8254的計數(shù)范圍。 Intel 8254 芯片結構 8254 芯片 如圖 44 所示： 圖 44 8254 1) CS:片選信號，接 I／ O端口譯碼電路的輸出 2) RD,WR:讀／寫控制信號 3) D7~D0： 低 2位，用于片內(nèi)端口的選擇。 A1A0=00，選擇通數(shù)據(jù)線，與系統(tǒng)第 11 頁 共 46 頁 數(shù)據(jù)總線相連 4) A1A0接地址總線道 0； A1A0=01，選擇通道 1； A1A0=10，選擇通道 2；A1A0=11，選擇控制端口。 5) 每個通道有三根對外的信號線： CLK， OUT和 GATE。 8254內(nèi)部結構與外部引腳如圖 45： 計數(shù)器0計數(shù)器1計數(shù)器2CLK0GATE0OUT0數(shù)據(jù)總線緩沖器讀/寫邏輯控制寄存器WRRDA1A0CSGNDVCCD0~D7CLK1GATE1OUT1CLK2GATE2OUT2 圖 45 8254內(nèi)部結構與外部引腳 8254有 3個結構完全相同的定時器 /計數(shù)器通道 ： 0、 2 每個通道包含 ： 1) 一個 8位的控制字寄存器 2) 三個 16位的初值寄存器、減 1計數(shù)器和結果輸出鎖存器。 每個通道有 3根專用的信號線： 1) CLK:計數(shù) /定時脈沖輸入端，每輸入一個脈沖，減 1操作 2) OUT:計數(shù)值減到零時，由輸出端 OUT輸出結束信號 3) GATE:門控信號，允許或停止計數(shù) [5] Intel 8254 主要特性 1) 3個獨立的 16位定時 /計數(shù)通道。 2) 每個通道有 6種工作 方式。 3) 最高計數(shù)頻率為 10MHz。 4) 可以按二進制或 BCD碼兩種方式計數(shù)。 5) 定時時間長短可用軟件設置，可由軟件或硬件控制開始計數(shù)或停止計數(shù)。 第 12 頁 共 46 頁 6) 可以同時鎖存 1~3個計數(shù)器的計數(shù)值和狀態(tài)值，供 CPU讀取。 8354每個通道有六種工作方式，本設 計中當工作在方式 3，用它產(chǎn)生方波。 A3967SLB 步進電機驅動器 驅動部分采用的是 A3967SLB 芯片， A3967SLB 是美國 Allegro 公司生產(chǎn)的PWM 恒流控制微步距驅動二相步進電機專用驅動器。它的工作電壓可達 30V，驅動電流達 750mA，一個 A3967SLB 即可驅動一臺二相步進電機，可實現(xiàn) 8 細分驅動。芯片內(nèi)的 PWM 電流控制電路可通過加在 PFD 的電壓設置為慢、快、混合三種電流衰減模式，如果 PFD 端的電壓高于 0． 6VDD，則選擇慢衰減方式。若低于 0． 21VDD，則選擇快衰減模式。處于兩者之間為混合衰減 模式 [6]。 另外， A3967SLB 還能提供完善的保護措施，包括抑制瞬態(tài)電壓、過熱保護、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。 A3967SLB 和微處理器之間不需要附加其它的接口電路，該芯片采用 Easy Stepper 接口，將 8 條控制線減少為 2 條 (步長 和方向 )，只要簡單地輸入控制步進電機的脈沖，其內(nèi)嵌的轉換器就可以實現(xiàn)對步進電機的控制。 A3967SLB 還需要一些電阻、電容來調(diào)整其工作參數(shù)，整個驅動電路非常簡單。 A3967SLB 引腳及工作參數(shù) A3967SLB 如圖 46 所示： 圖 46 A3967SLB 電氣特性在 T A = +25176。C， V BB = 30 V， V CC = V 至 時的操作參數(shù)環(huán)境 [7]詳見附錄 A。 步進電機 本設計中采用 A3967SLB 驅動步進電機， A3967SLB 是美國 Allegro 公司生產(chǎn)的 PWM 恒流控制微步距驅動二相步進電機專用驅動器。 故采用一個二相四線第 13 頁 共 46 頁 步進電機來作為本設計的 驅動器 件。 步進電機 基本概念 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目 的 [8]。 步進電機的種類以及工作原理 步進電機分永磁式（ PM）、反應式（ VR）、和混合式（ HB）三種。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度或 15 度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家 80 年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛 [9]。 下面我們以 一種四相可變磁阻型的步進電機結構示意圖 47來說明步進電機的工作原理。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式 ，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖中所示。八個齒構成四對所以稱為四相步進電機。 圖 47 步進電機工作原理示意圖 它的工作過程是這樣的：當有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖 47(a)中 A 相是被激勵，轉子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的 A齒對準。從這個位置再對 B 相進行激勵，如圖 47 中的 (b)，轉子向反時針轉過15176。若是 D 相被激勵，如圖 47 中的 (c)，則轉子為順時針轉過 15176。下一步是 C相被激勵。因為 C 相有兩種可能性： A—B—C—D 或 A—D—C—B。一種為反時針轉動；另一種為順時針轉動。但每步都使轉子轉動 15176。電機步長 (步距角 )第 14 頁 共 46 頁 是步進電機的主要性能指標之一，不同的應用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù) (相數(shù) )或極數(shù) (轉子齒數(shù) )，可以改變步長的大小 。 步進電機的選擇 步進電機必須與驅動器、控制器配套使用才能完成工作要求。步進電機驅動系統(tǒng)的性能除了與電機自身的性能有關外，在很大程度上還取決于驅動器和控制器的優(yōu)劣。因此對 步進電機驅動器的研究幾乎是與對步進電機的研究同步進行的。 在選用步進電機時，一定要先確定好它的性能指標達到的要求，它的指標一般分為一下幾個方面。 1) 步矩精度?？蛰d時，以單脈沖輸入，步進電機的實際步矩角與理論步矩角之差成為靜態(tài)步矩角誤差，以偏差的角度或相對百分數(shù)來衡量。我國生產(chǎn)的步進電機的步矩精度一般在 ? 10~? 30 分的范圍，有些可達 ? 2~? 5 分。 2) 最大靜轉矩。轉子處于靜止狀態(tài)時，能與最大負載轉矩相平衡的電磁轉矩稱為步進電機的最大轉矩 .它是衡量步進電機帶負載能力的主要指標。 3) 起動頻率。使步進電機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步的起動，并進入正常運行的控制脈沖最高頻率，稱為起動頻率。在電機空載情況下，稱為控制起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的最高頻率將大大降低。 4) 連續(xù)運行頻率。步進電機起動后，其轉速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的最高頻率，稱為連續(xù)運行頻率的最高工作頻率。步進電機的連續(xù)運行頻率隨負載的增大而下降 ，但步進電機連續(xù)運行頻率遠高于其起動頻率 [10]。 本設計中采用 A3967SLB 驅動步進電機， A3967SLB 是美國 Allegro 公司生產(chǎn)的 PWM 恒流控制微步距驅動二相步進電機專用驅動器。 故采用一個二相四線步進電機來作為本設計的測試原件 ,在本設計中，我選